Termodinámica Tierra-Sol
Los organismos vivos son las estructuras naturales más complejas. Antes de abordar la termodinámica de la vida, comencemos con estructuras físicas más simples. Aplicaremos las leyes de la termodinámica a la Tierra y al Sol.
Entropía producida en el sol y las estrellas
La entropía producida en el Sol es el calor de combustión dividido por la temperatura. Por cada cuatro núcleos de hidrógeno quemados en un núcleo de helio, la entropía producida es de 4,282 micro-microvatios-segundo dividida por 15 millones de kelvin. La entropía del Sol aumenta constantemente a medida que quema su combustible, y lo mismo sucede en todas las estrellas.
Disminuciones y aumentos compensatorios
Como dijimos antes, los darwinistas proponen el crecimiento espontáneo de la complejidad no planificada. Hace tiempo que los científicos notaron que la propuesta darwinista va en contra de la tendencia natural hacia el desorden. Posteriormente, la termodinámica y la teoría de la información elevaron la tendencia observada a ley física universal. Pero los darwinistas a menudo responden que la termodinámica no se aplica a su proceso de formación biológica. Los cambios en los organismos vivos tienen lugar en la Tierra, pero el Sol ayuda a mantener la vida. Por lo tanto, un análisis termodinámico correcto del darwinismo debe incluir tanto al Sol como a la Tierra. Los darwinistas suelen resumir este argumento diciendo que “la Tierra no es un sistema cerrado, recibe energía del Sol”. La declaración resumida es válida, pero el argumento no lo es.
Este argumento fue parte de un documental educativo en la década de 1950, hecho para enseñar a los jóvenes a no rebelarse contra la enseñanza de la evolución. Pocos adolescentes de secundaria conocen suficiente física para ver los fallos de ella. Ilya Prigogine (químico belga nacido en Rusia, 1917-2003) refutó el argumento de manera concluyente en un análisis muy simple y directo en 1967. Su trabajo amplió los métodos de la termodinámica a condiciones de no equilibrio, a procesos no lineales y a situaciones en las que alguno tipo de orden u organización surge. [i] Por su trabajo aplicando la segunda ley a la termodinámica de los sistemas biológicos, Prigogine ganó el Premio Nobel de Química en 1977.
[i] Prigogine, Ilya, Introduction to Thermodynamics of Irreversible Processes [Introducción a la termodinámica de procesos irreversibles] (Nueva York: John Wiley & Sons, 1967), págs. v–xii.
Desafortunadamente, el argumento de la afluencia solar ha persistido hasta el día de hoy. Recientemente, en noviembre de 2000, Stephen G. Brush, profesor de historia de la ciencia en la Universidad de Maryland, College Park, usó el argumento en un artículo titulado “Creacionismo versus ciencia física”.
“Los físicos también deberían estar preocupados por la afirmación creacionista de que la evolución darwinista viola la Segunda Ley de la Termodinámica. Resulta que su versión de la Segunda Ley es diferente de la que se enseña en los cursos de termodinámica: simplemente afirma que la entropía nunca puede disminuir. La respuesta habitual es insistir en que la entropía puede disminuir en un ‘sistema abierto’ como la Tierra, siempre que interactúe con otro sistema abierto, como el Sol, en el que hay un aumento compensatorio.”[i]
[i] Brush, Stephen G., en “Creationism Versus Physical Science [Creationismo contra la ciencia física]” en lo que se llama “The Back Page” [La última página] de APS News: A Publication of the American Physical Society [APS noticias, una publicación de sociedad física americana], 9 (Número 10, noviembre de 2000), página 8.
Brush simplemente repite el viejo argumento. Su artículo no tiene rastro de análisis. La historia de la ciencia que enseña evidentemente no está suficientemente actualizada para incluir el trabajo de Prigogine. Pero los editores de la American Physical Society [sociedad física americana] permitieron que Brush siguiera propagando este error. Por lo general, los editores rechazan artículos de autores que no cuidan su redacción. ¿Por qué se relajaron con Brush?
Quizás el argumento persiste porque Prigogine lo refutó en términos matemáticos. Varios darwinistas, en particular Stephen Jay Gould (paleontólogo estadounidense, 1941–2002), han lamentado su falta de habilidades matemáticas.
“No soy un innumerable, pero cuánto deseo la creatividad matemática, un puro espacio en blanco para mí, que impulsa a tantos científicos a la realización fina. No soy ilógico, pero cuánto añoro la asombrosa capacidad que observo en muchos colegas para identificar, desarrollar y probar las implicaciones lineales de un argumento.”[i]
[i] Gould, Stephen Jay, Dinosaur in a Haystack [Dinosaurio en un montón de paja] (Nueva York: Harmony Books, 1995), pág. xi.
Los escandalosamente pocos físicos que entienden la termodinámica saben que la energía del Sol nunca puede reducir la entropía de la Tierra. Presentaremos el análisis de Prigogine en palabras para que todos puedan entenderlo. Luego lo ilustraremos analizando los cambios de entropía en un experimento simple, cuando una piedra caliente cae en agua fría. Seguiremos un libro de texto estándar que los profesores suelen utilizar “en los cursos de termodinámica”.
La prueba consiste en calcular correctamente los cambios de entropía. Unas pocas citas del libro de Prigogine deberían haber resuelto para siempre la falacia de que la energía del Sol puede disminuir la entropía de la Tierra.
En el primer capítulo de su libro Prigogine establece un límite en torno a un sistema a analizar, y el exterior, lo que no está incluido en el sistema. El sistema puede ser la Tierra, un organismo vivo o el universo entero.
Es útil clasificar los sistemas termodinámicos según los intercambios de energía (calor y trabajo) y materia a través de sus fronteras. Distinguiremos entre sistemas aislados que no pueden intercambiar ni energía ni materia, sistemas cerrados que intercambian energía, pero no materia, y sistemas abiertos que intercambian energía y materia con el exterior.
“La termodinámica clásica se ha ocupado principalmente del estudio de sistemas cerrados. Un logro sorprendente de los desarrollos recientes ha sido eliminar esta limitación para generalizar los métodos de la termodinámica a los sistemas abiertos, que son de gran importancia para la termodinámica biológica así como para muchos otros campos como la meteorología y la geología.”[i]
[i] Prigogine, Ilya, op. cit., pág. 3.
El universo como un todo es un sistema aislado porque no hay nada físico exterior a él. Un organismo vivo es un sistema abierto porque el organismo recibe y expulsa tanto materia como energía.
Nótese que en el vocabulario de Prigogine los sistemas abiertos intercambian tanto energía como materia con su entorno. Los sistemas cerrados intercambian energía con su entorno, pero no materia. La Tierra recibe radiación ultravioleta, luz y calor del Sol e irradia calor a una temperatura más baja hacia el espacio. Todas estas son entradas y salidas de energía.
La Tierra es, en sentido estricto, un sistema abierto, porque le llegan pequeñas cantidades de materia del espacio exterior. Los meteoritos se queman cuando ingresan a la atmósfera de la Tierra y las cenizas eventualmente caen a la superficie. Algunos meteoros son lo suficientemente grandes como para tener un remanente que sobrevive a la caída a través de la atmósfera y golpea la superficie de la Tierra como un objeto sólido conocido como meteorito. La Tierra también recibe impactos ocasionales de asteroides. Estos traen materia del espacio a la Tierra, pero no hacen nada para aumentar la organización de las formas de vida en la Tierra. Algunas personas piensan que el impacto de un asteroide destruyó a los dinosaurios.
La Tierra envía aún menos materia al espacio. En el último medio siglo, los vehículos propulsados por cohetes han ido más allá de la atmósfera terrestre. Algunas de nuestras sondas espaciales han ido tan lejos que nunca regresarán. Pero por cada sonda espacial lanzada, los motores de los cohetes quemaron enormes cantidades de combustible y liberaron grandes cantidades de calor a la atmósfera terrestre. Los lanzamientos espaciales nunca han disminuido la entropía de la Tierra.
Los meteoritos y las sondas espaciales hacen de la Tierra un sistema abierto. Pero la cantidad de masa intercambiada con el entorno de la Tierra es tan pequeña en relación con la masa de la Tierra que, en una muy buena aproximación, podemos considerar que la Tierra es lo que Prigogine llama un sistema cerrado, y Brush y muchos darwinistas erróneamente lo llaman un sistema abierto.
Ahora sigamos el método de Prigogine para contabilizar la producción de entropía, omitiendo su notación y expresando sus fórmulas en palabras.
“El segundo principio de la termodinámica postula la existencia de una función de estado, llamada entropía (del griego en trope que significa “evolución”) que posee las siguientes propiedades: a) la entropía del sistema es una propiedad extensiva. Si un sistema consta de varias partes, la entropía total es igual a la suma de las entropías de cada parte. b) El cambio de entropía... se puede dividir en dos partes. [Uno es la] entropía debida a las interacciones con el exterior, y [el otro es] la contribución debida a los cambios dentro del sistema…. El aumento de entropía... debido a cambios dentro del sistema nunca es negativo. Es cero cuando el sistema sufre solo cambios reversibles, pero es positivo si el sistema también está sujeto a procesos irreversibles.”[i]
[i] Ibíd. págs. 15–18.
En este sitio web calcularemos expresiones explícitas para la producción de entropía de algunos procesos irreversibles importantes y también el flujo de entropía relacionado con los intercambios de materia y energía con el entorno externo.
Ahora haremos una pausa para explicar los conceptos de Prigogine con más detalle. La entropía es una medida de cierto tipo de desorden. El desorden total en una casa es igual a la suma del desorden en cada cuarto de la casa. La entropía es una variable de estado. Es decir, es una propiedad del estado de las cosas, una descripción de las condiciones tal como se encuentran en un lugar determinado.
Para comprender una variable de estado, considere una residencia para personas mayores en un día en que los jóvenes están de visita. La presencia de los jóvenes no cambia el estado ni la condición de los ancianos. En el mejor de los casos, algunos de los ancianos pueden sentirse más jóvenes, pero no pueden volverse jóvenes asociándose con gente joven. Los jóvenes se acercan al estado de sus mayores moviéndose hacia el futuro al ritmo estándar de sesenta minutos por hora. Un grupo no puede pasar su estado o condición a otro.
Dado que la entropía es una variable de estado, no fluye de un lugar a otro. La entropía es una propiedad de la materia o la energía al igual que los materiales tienen propiedades como la masa, la densidad, la temperatura y la presión. Las piedras de alta densidad pueden hundirse en agua de baja densidad, la energía térmica se irradia, la presión puede causar movimiento. Podemos llevar materias desorganizados de un lugar a otro cada vez que sacamos la basura. El flujo de energía o el movimiento de materiales puede cambiar la entropía en diferentes lugares, pero la entropía no fluye ni se mueve por sí misma.
Supongamos que un escritorio desordenado está justo al lado de un escritorio limpio. El desorden del primero no fluye hacia el segundo. Las pilas precarias de libros y papeles en el escritorio desordenado pueden caerse y derramarse sobre el escritorio limpio y dejarlo desordenado. Sería impreciso decir que el desorden del escritorio desordenado se extendió al escritorio limpio. Las cosas que se derramaron fueron libros y papeles. Una vez que el material se movió, desorganizó su lugar de aterrizaje.
Una estufa caliente puede convertir un bloque de helado congelado en un desastre derretido. El calor de la estufa es energía desorganizada. ¿El desorden fluye de la estufa al helado? No, la entropía no puede fluir. El calor puede fluir de un lugar a otro y cambiar el estado de las cosas en su destino. Esta ilustración es diferente de la anterior sobre los escritorios. En esta ilustración, la energía, en forma de calor, salió de la estufa caliente y derritió el helado. En la ilustración del escritorio, la materia o los objetos materiales se movían a través del límite y causaban desorden. En ninguno de los dos casos la entropía y el desorden fluían por sí solos. La entropía aumentó en el escritorio limpio porque la materia se movió. En el helado la energía fluyó a través de un límite.
El análisis y medición de la dinámica de propiedades como variables de estado es el dominio de la física, la más precisa de las ciencias naturales. Cuando llamamos precisa a una ciencia, queremos decir que sus predicciones teóricas concuerdan precisamente con las mediciones experimentales. La segunda ley de la termodinámica dice que en todos los procesos sin excepción la cantidad total de entropía o desorden nunca disminuye. Podemos calcular cantidades de entropía teóricamente y comparar las cantidades con precisión con mediciones en experimentos físicos y químicos controlados.
Primero, Prigogine comenta sobre los sistemas aislados, negando que exista tal cosa como el "flujo de entropía".
“Para los sistemas aislados, no hay flujo de entropía, por lo que [el cambio de entropía total es solo la parte debida a los procesos internos y aumenta]. Para los sistemas aislados, esta relación es equivalente a la afirmación clásica de que la entropía nunca puede disminuir, por lo que en este caso el comportamiento de la función de entropía proporciona un criterio que nos permite detectar la presencia de procesos irreversibles…. El único criterio general de irreversibilidad está dado por la producción de entropía….”[i]
[i] Ibíd. págs. 15–18.
Prigogine luego establece ecuaciones para dos sistemas, uno dentro del otro. El límite entre los dos no es una barrera. Es como el ecuador, una línea imaginaria que separa el hemisferio norte de la Tierra del hemisferio sur. No hay barreras ni fortificaciones en el ecuador porque el ecuador no coincide con el límite entre ningún par de países hostiles. El límite que dibuja Prigogine puede estar alrededor de la Tierra, separándolo del Sol y del espacio exterior, o puede estar justo fuera de la piel de un organismo vivo, separándolo del mundo exterior. En cualquiera de estos dos casos, lo que Prigogine llama “el sistema global que contiene a ambos” es el resto del universo, y antes decía que el universo como un todo está aislado.
“Supongamos que encerramos un sistema... dentro de un sistema más grande..., de modo que el sistema global que contiene ambos... está aislado. En ambas partes… puede haber algunos procesos irreversibles. El enunciado clásico de la segunda ley de la termodinámica sería [que el cambio total de entropía es igual a la suma de los cambios de entropía en cada parte, y la entropía total aumenta]. Aplicando ahora [la idea de dividir los cambios de entropía en (1) influencias externas de una parte en la otra y (2) procesos internos totalmente contenidos dentro de una de las partes]…. Postularemos aquí que [en ambas partes la entropía debida a procesos internos aumenta ]. Se excluye una situación física tal que [la entropía interna en el interior aumenta, la entropía interna en el exterior disminuye y la entropía total dentro y fuera aumenta]. Por tanto, podemos decir que está prohibida la “absorción” de entropía en una parte, compensada por una “producción” suficiente en otra parte del sistema.”[i]
[i] Ibíd. págs. 15–18.
Tenga en cuenta que no existe tal cosa como "'absorción' de entropía en una parte, compensada por una 'producción' suficiente en otra parte del sistema". Prigogine establece específicamente que un aumento suficientemente grande de la entropía en el Sol y el resto del universo no puede compensar una reducción de la entropía en la Tierra. La entropía producida en la Tierra no puede regresar al Sol.
“Esta formulación implica que en cada región macroscópica del sistema la producción de entropía debida a los procesos irreversibles es positiva. El término ‘región macroscópica’ se refiere a cualquier región que contenga un número de moléculas suficientemente grande para que las fluctuaciones microscópicas sean insignificantes. La interferencia de procesos irreversibles solo es posible cuando ocurren en la misma región del sistema. Tal formulación puede denominarse formulación “local” de la segunda ley en contraste con la formulación “global” de la termodinámica clásica. Su valor radica en que permite un análisis mucho más cercano de los procesos irreversibles y, como tal, constituirá el postulado central en el que se basa este libro….”
“Es interesante notar que la división del cambio de entropía en dos términos... permite una discusión sencilla de la diferencia entre sistemas cerrados y abiertos, como se mostrará a continuación. Claramente, esta diferencia tiene que aparecer en el término “cambio de entropía externa” que, para sistemas abiertos, debe contener términos debido al intercambio de materia.”[i]
[i] Ibíd. págs. 15–18.
Los sistemas biológicos son sistemas abiertos. Todos funcionan tomando materia con baja entropía como comida y oxígeno, y expulsando materia degradada con alta entropía (todos lo hacemos, pero no solemos hablar de ello en la sociedad educada). Los sistemas biológicos pueden hacer esto porque tienen estructura. Asimismo, los motores térmicos consumen combustible, expulsan calor residual y cenizas o humo, y tienen estructura. Por lo tanto, los sistemas biológicos y las máquinas térmicas pueden mantener baja su propia entropía a expensas de un aumento de la entropía en el medio ambiente. Los motores térmicos mecánicos logran esto utilizando una estructura diseñada específicamente para ese propósito. Los sistemas biológicos logran el mismo fin utilizando su estructura. ¿La estructura de los sistemas biológicos fue diseñada específicamente para ese propósito? Es posible que los futuros diseñadores creativos hagan nuevas estructuras biológicas que, como todos los organismos vivos, mantengan su propia entropía baja. ¿Un mecanismo de diseño automático natural o alguna otra inteligencia diseñó las estructuras biológicas existentes?
La segunda ley de la termodinámica tiene mucho que decir sobre la estructura de los sistemas biológicos. La entropía es el negativo de la información, y la información en el código genético especifica la estructura biológica. Aquí es donde se aplica la segunda ley al diseño creativo. Lo utilizaremos más adelante para evaluar las especulaciones de los darwinistas.
Para responder brevemente a Brush y la American Physical Society [Sociedad Física Americana], la luz solar aumenta la entropía de la Tierra, año tras año tras año. Si uno cuenta solo el enfriamiento del Sol a medida que irradia calor hacia la Tierra, entonces la entropía del Sol disminuye una pequeña cantidad al mismo tiempo que la entropía de la Tierra aumenta en una cantidad mucho mayor. Todo esto es justo lo contrario de la afirmación darwinista de que la entropía de la Tierra puede disminuir si hay un aumento de entropía en el Sol que lo compense.
Para ser más rigurosos, debemos recordar que la quema del combustible del Sol aumenta su entropía de forma irreversible. La temperatura del Sol no cambia porque el calor que sale cada segundo es igual al calor generado por la quema de combustible. La entropía de la quema de combustible es la energía producida dividida por la temperatura. La entropía del Sol y la entropía de la Tierra aumentan constantemente. Mirando en detalle cada parte del sistema, no hay disminución de entropía en ninguna parte.
Los organismos vivos son las estructuras naturales más complejas. Antes de abordar la termodinámica de la vida, comencemos con estructuras físicas más simples. Aplicaremos las leyes de la termodinámica a la Tierra y al Sol.
Entropía producida en el sol y las estrellas
La entropía producida en el Sol es el calor de combustión dividido por la temperatura. Por cada cuatro núcleos de hidrógeno quemados en un núcleo de helio, la entropía producida es de 4,282 micro-microvatios-segundo dividida por 15 millones de kelvin. La entropía del Sol aumenta constantemente a medida que quema su combustible, y lo mismo sucede en todas las estrellas.
Disminuciones y aumentos compensatorios
Como dijimos antes, los darwinistas proponen el crecimiento espontáneo de la complejidad no planificada. Hace tiempo que los científicos notaron que la propuesta darwinista va en contra de la tendencia natural hacia el desorden. Posteriormente, la termodinámica y la teoría de la información elevaron la tendencia observada a ley física universal. Pero los darwinistas a menudo responden que la termodinámica no se aplica a su proceso de formación biológica. Los cambios en los organismos vivos tienen lugar en la Tierra, pero el Sol ayuda a mantener la vida. Por lo tanto, un análisis termodinámico correcto del darwinismo debe incluir tanto al Sol como a la Tierra. Los darwinistas suelen resumir este argumento diciendo que “la Tierra no es un sistema cerrado, recibe energía del Sol”. La declaración resumida es válida, pero el argumento no lo es.
Este argumento fue parte de un documental educativo en la década de 1950, hecho para enseñar a los jóvenes a no rebelarse contra la enseñanza de la evolución. Pocos adolescentes de secundaria conocen suficiente física para ver los fallos de ella. Ilya Prigogine (químico belga nacido en Rusia, 1917-2003) refutó el argumento de manera concluyente en un análisis muy simple y directo en 1967. Su trabajo amplió los métodos de la termodinámica a condiciones de no equilibrio, a procesos no lineales y a situaciones en las que alguno tipo de orden u organización surge. [i] Por su trabajo aplicando la segunda ley a la termodinámica de los sistemas biológicos, Prigogine ganó el Premio Nobel de Química en 1977.
[i] Prigogine, Ilya, Introduction to Thermodynamics of Irreversible Processes [Introducción a la termodinámica de procesos irreversibles] (Nueva York: John Wiley & Sons, 1967), págs. v–xii.
Desafortunadamente, el argumento de la afluencia solar ha persistido hasta el día de hoy. Recientemente, en noviembre de 2000, Stephen G. Brush, profesor de historia de la ciencia en la Universidad de Maryland, College Park, usó el argumento en un artículo titulado “Creacionismo versus ciencia física”.
“Los físicos también deberían estar preocupados por la afirmación creacionista de que la evolución darwinista viola la Segunda Ley de la Termodinámica. Resulta que su versión de la Segunda Ley es diferente de la que se enseña en los cursos de termodinámica: simplemente afirma que la entropía nunca puede disminuir. La respuesta habitual es insistir en que la entropía puede disminuir en un ‘sistema abierto’ como la Tierra, siempre que interactúe con otro sistema abierto, como el Sol, en el que hay un aumento compensatorio.”[i]
[i] Brush, Stephen G., en “Creationism Versus Physical Science [Creationismo contra la ciencia física]” en lo que se llama “The Back Page” [La última página] de APS News: A Publication of the American Physical Society [APS noticias, una publicación de sociedad física americana], 9 (Número 10, noviembre de 2000), página 8.
Brush simplemente repite el viejo argumento. Su artículo no tiene rastro de análisis. La historia de la ciencia que enseña evidentemente no está suficientemente actualizada para incluir el trabajo de Prigogine. Pero los editores de la American Physical Society [sociedad física americana] permitieron que Brush siguiera propagando este error. Por lo general, los editores rechazan artículos de autores que no cuidan su redacción. ¿Por qué se relajaron con Brush?
Quizás el argumento persiste porque Prigogine lo refutó en términos matemáticos. Varios darwinistas, en particular Stephen Jay Gould (paleontólogo estadounidense, 1941–2002), han lamentado su falta de habilidades matemáticas.
“No soy un innumerable, pero cuánto deseo la creatividad matemática, un puro espacio en blanco para mí, que impulsa a tantos científicos a la realización fina. No soy ilógico, pero cuánto añoro la asombrosa capacidad que observo en muchos colegas para identificar, desarrollar y probar las implicaciones lineales de un argumento.”[i]
[i] Gould, Stephen Jay, Dinosaur in a Haystack [Dinosaurio en un montón de paja] (Nueva York: Harmony Books, 1995), pág. xi.
Los escandalosamente pocos físicos que entienden la termodinámica saben que la energía del Sol nunca puede reducir la entropía de la Tierra. Presentaremos el análisis de Prigogine en palabras para que todos puedan entenderlo. Luego lo ilustraremos analizando los cambios de entropía en un experimento simple, cuando una piedra caliente cae en agua fría. Seguiremos un libro de texto estándar que los profesores suelen utilizar “en los cursos de termodinámica”.
La prueba consiste en calcular correctamente los cambios de entropía. Unas pocas citas del libro de Prigogine deberían haber resuelto para siempre la falacia de que la energía del Sol puede disminuir la entropía de la Tierra.
En el primer capítulo de su libro Prigogine establece un límite en torno a un sistema a analizar, y el exterior, lo que no está incluido en el sistema. El sistema puede ser la Tierra, un organismo vivo o el universo entero.
Es útil clasificar los sistemas termodinámicos según los intercambios de energía (calor y trabajo) y materia a través de sus fronteras. Distinguiremos entre sistemas aislados que no pueden intercambiar ni energía ni materia, sistemas cerrados que intercambian energía, pero no materia, y sistemas abiertos que intercambian energía y materia con el exterior.
“La termodinámica clásica se ha ocupado principalmente del estudio de sistemas cerrados. Un logro sorprendente de los desarrollos recientes ha sido eliminar esta limitación para generalizar los métodos de la termodinámica a los sistemas abiertos, que son de gran importancia para la termodinámica biológica así como para muchos otros campos como la meteorología y la geología.”[i]
[i] Prigogine, Ilya, op. cit., pág. 3.
El universo como un todo es un sistema aislado porque no hay nada físico exterior a él. Un organismo vivo es un sistema abierto porque el organismo recibe y expulsa tanto materia como energía.
Nótese que en el vocabulario de Prigogine los sistemas abiertos intercambian tanto energía como materia con su entorno. Los sistemas cerrados intercambian energía con su entorno, pero no materia. La Tierra recibe radiación ultravioleta, luz y calor del Sol e irradia calor a una temperatura más baja hacia el espacio. Todas estas son entradas y salidas de energía.
La Tierra es, en sentido estricto, un sistema abierto, porque le llegan pequeñas cantidades de materia del espacio exterior. Los meteoritos se queman cuando ingresan a la atmósfera de la Tierra y las cenizas eventualmente caen a la superficie. Algunos meteoros son lo suficientemente grandes como para tener un remanente que sobrevive a la caída a través de la atmósfera y golpea la superficie de la Tierra como un objeto sólido conocido como meteorito. La Tierra también recibe impactos ocasionales de asteroides. Estos traen materia del espacio a la Tierra, pero no hacen nada para aumentar la organización de las formas de vida en la Tierra. Algunas personas piensan que el impacto de un asteroide destruyó a los dinosaurios.
La Tierra envía aún menos materia al espacio. En el último medio siglo, los vehículos propulsados por cohetes han ido más allá de la atmósfera terrestre. Algunas de nuestras sondas espaciales han ido tan lejos que nunca regresarán. Pero por cada sonda espacial lanzada, los motores de los cohetes quemaron enormes cantidades de combustible y liberaron grandes cantidades de calor a la atmósfera terrestre. Los lanzamientos espaciales nunca han disminuido la entropía de la Tierra.
Los meteoritos y las sondas espaciales hacen de la Tierra un sistema abierto. Pero la cantidad de masa intercambiada con el entorno de la Tierra es tan pequeña en relación con la masa de la Tierra que, en una muy buena aproximación, podemos considerar que la Tierra es lo que Prigogine llama un sistema cerrado, y Brush y muchos darwinistas erróneamente lo llaman un sistema abierto.
Ahora sigamos el método de Prigogine para contabilizar la producción de entropía, omitiendo su notación y expresando sus fórmulas en palabras.
“El segundo principio de la termodinámica postula la existencia de una función de estado, llamada entropía (del griego en trope que significa “evolución”) que posee las siguientes propiedades: a) la entropía del sistema es una propiedad extensiva. Si un sistema consta de varias partes, la entropía total es igual a la suma de las entropías de cada parte. b) El cambio de entropía... se puede dividir en dos partes. [Uno es la] entropía debida a las interacciones con el exterior, y [el otro es] la contribución debida a los cambios dentro del sistema…. El aumento de entropía... debido a cambios dentro del sistema nunca es negativo. Es cero cuando el sistema sufre solo cambios reversibles, pero es positivo si el sistema también está sujeto a procesos irreversibles.”[i]
[i] Ibíd. págs. 15–18.
En este sitio web calcularemos expresiones explícitas para la producción de entropía de algunos procesos irreversibles importantes y también el flujo de entropía relacionado con los intercambios de materia y energía con el entorno externo.
Ahora haremos una pausa para explicar los conceptos de Prigogine con más detalle. La entropía es una medida de cierto tipo de desorden. El desorden total en una casa es igual a la suma del desorden en cada cuarto de la casa. La entropía es una variable de estado. Es decir, es una propiedad del estado de las cosas, una descripción de las condiciones tal como se encuentran en un lugar determinado.
Para comprender una variable de estado, considere una residencia para personas mayores en un día en que los jóvenes están de visita. La presencia de los jóvenes no cambia el estado ni la condición de los ancianos. En el mejor de los casos, algunos de los ancianos pueden sentirse más jóvenes, pero no pueden volverse jóvenes asociándose con gente joven. Los jóvenes se acercan al estado de sus mayores moviéndose hacia el futuro al ritmo estándar de sesenta minutos por hora. Un grupo no puede pasar su estado o condición a otro.
Dado que la entropía es una variable de estado, no fluye de un lugar a otro. La entropía es una propiedad de la materia o la energía al igual que los materiales tienen propiedades como la masa, la densidad, la temperatura y la presión. Las piedras de alta densidad pueden hundirse en agua de baja densidad, la energía térmica se irradia, la presión puede causar movimiento. Podemos llevar materias desorganizados de un lugar a otro cada vez que sacamos la basura. El flujo de energía o el movimiento de materiales puede cambiar la entropía en diferentes lugares, pero la entropía no fluye ni se mueve por sí misma.
Supongamos que un escritorio desordenado está justo al lado de un escritorio limpio. El desorden del primero no fluye hacia el segundo. Las pilas precarias de libros y papeles en el escritorio desordenado pueden caerse y derramarse sobre el escritorio limpio y dejarlo desordenado. Sería impreciso decir que el desorden del escritorio desordenado se extendió al escritorio limpio. Las cosas que se derramaron fueron libros y papeles. Una vez que el material se movió, desorganizó su lugar de aterrizaje.
Una estufa caliente puede convertir un bloque de helado congelado en un desastre derretido. El calor de la estufa es energía desorganizada. ¿El desorden fluye de la estufa al helado? No, la entropía no puede fluir. El calor puede fluir de un lugar a otro y cambiar el estado de las cosas en su destino. Esta ilustración es diferente de la anterior sobre los escritorios. En esta ilustración, la energía, en forma de calor, salió de la estufa caliente y derritió el helado. En la ilustración del escritorio, la materia o los objetos materiales se movían a través del límite y causaban desorden. En ninguno de los dos casos la entropía y el desorden fluían por sí solos. La entropía aumentó en el escritorio limpio porque la materia se movió. En el helado la energía fluyó a través de un límite.
El análisis y medición de la dinámica de propiedades como variables de estado es el dominio de la física, la más precisa de las ciencias naturales. Cuando llamamos precisa a una ciencia, queremos decir que sus predicciones teóricas concuerdan precisamente con las mediciones experimentales. La segunda ley de la termodinámica dice que en todos los procesos sin excepción la cantidad total de entropía o desorden nunca disminuye. Podemos calcular cantidades de entropía teóricamente y comparar las cantidades con precisión con mediciones en experimentos físicos y químicos controlados.
Primero, Prigogine comenta sobre los sistemas aislados, negando que exista tal cosa como el "flujo de entropía".
“Para los sistemas aislados, no hay flujo de entropía, por lo que [el cambio de entropía total es solo la parte debida a los procesos internos y aumenta]. Para los sistemas aislados, esta relación es equivalente a la afirmación clásica de que la entropía nunca puede disminuir, por lo que en este caso el comportamiento de la función de entropía proporciona un criterio que nos permite detectar la presencia de procesos irreversibles…. El único criterio general de irreversibilidad está dado por la producción de entropía….”[i]
[i] Ibíd. págs. 15–18.
Prigogine luego establece ecuaciones para dos sistemas, uno dentro del otro. El límite entre los dos no es una barrera. Es como el ecuador, una línea imaginaria que separa el hemisferio norte de la Tierra del hemisferio sur. No hay barreras ni fortificaciones en el ecuador porque el ecuador no coincide con el límite entre ningún par de países hostiles. El límite que dibuja Prigogine puede estar alrededor de la Tierra, separándolo del Sol y del espacio exterior, o puede estar justo fuera de la piel de un organismo vivo, separándolo del mundo exterior. En cualquiera de estos dos casos, lo que Prigogine llama “el sistema global que contiene a ambos” es el resto del universo, y antes decía que el universo como un todo está aislado.
“Supongamos que encerramos un sistema... dentro de un sistema más grande..., de modo que el sistema global que contiene ambos... está aislado. En ambas partes… puede haber algunos procesos irreversibles. El enunciado clásico de la segunda ley de la termodinámica sería [que el cambio total de entropía es igual a la suma de los cambios de entropía en cada parte, y la entropía total aumenta]. Aplicando ahora [la idea de dividir los cambios de entropía en (1) influencias externas de una parte en la otra y (2) procesos internos totalmente contenidos dentro de una de las partes]…. Postularemos aquí que [en ambas partes la entropía debida a procesos internos aumenta ]. Se excluye una situación física tal que [la entropía interna en el interior aumenta, la entropía interna en el exterior disminuye y la entropía total dentro y fuera aumenta]. Por tanto, podemos decir que está prohibida la “absorción” de entropía en una parte, compensada por una “producción” suficiente en otra parte del sistema.”[i]
[i] Ibíd. págs. 15–18.
Tenga en cuenta que no existe tal cosa como "'absorción' de entropía en una parte, compensada por una 'producción' suficiente en otra parte del sistema". Prigogine establece específicamente que un aumento suficientemente grande de la entropía en el Sol y el resto del universo no puede compensar una reducción de la entropía en la Tierra. La entropía producida en la Tierra no puede regresar al Sol.
“Esta formulación implica que en cada región macroscópica del sistema la producción de entropía debida a los procesos irreversibles es positiva. El término ‘región macroscópica’ se refiere a cualquier región que contenga un número de moléculas suficientemente grande para que las fluctuaciones microscópicas sean insignificantes. La interferencia de procesos irreversibles solo es posible cuando ocurren en la misma región del sistema. Tal formulación puede denominarse formulación “local” de la segunda ley en contraste con la formulación “global” de la termodinámica clásica. Su valor radica en que permite un análisis mucho más cercano de los procesos irreversibles y, como tal, constituirá el postulado central en el que se basa este libro….”
“Es interesante notar que la división del cambio de entropía en dos términos... permite una discusión sencilla de la diferencia entre sistemas cerrados y abiertos, como se mostrará a continuación. Claramente, esta diferencia tiene que aparecer en el término “cambio de entropía externa” que, para sistemas abiertos, debe contener términos debido al intercambio de materia.”[i]
[i] Ibíd. págs. 15–18.
Los sistemas biológicos son sistemas abiertos. Todos funcionan tomando materia con baja entropía como comida y oxígeno, y expulsando materia degradada con alta entropía (todos lo hacemos, pero no solemos hablar de ello en la sociedad educada). Los sistemas biológicos pueden hacer esto porque tienen estructura. Asimismo, los motores térmicos consumen combustible, expulsan calor residual y cenizas o humo, y tienen estructura. Por lo tanto, los sistemas biológicos y las máquinas térmicas pueden mantener baja su propia entropía a expensas de un aumento de la entropía en el medio ambiente. Los motores térmicos mecánicos logran esto utilizando una estructura diseñada específicamente para ese propósito. Los sistemas biológicos logran el mismo fin utilizando su estructura. ¿La estructura de los sistemas biológicos fue diseñada específicamente para ese propósito? Es posible que los futuros diseñadores creativos hagan nuevas estructuras biológicas que, como todos los organismos vivos, mantengan su propia entropía baja. ¿Un mecanismo de diseño automático natural o alguna otra inteligencia diseñó las estructuras biológicas existentes?
La segunda ley de la termodinámica tiene mucho que decir sobre la estructura de los sistemas biológicos. La entropía es el negativo de la información, y la información en el código genético especifica la estructura biológica. Aquí es donde se aplica la segunda ley al diseño creativo. Lo utilizaremos más adelante para evaluar las especulaciones de los darwinistas.
Para responder brevemente a Brush y la American Physical Society [Sociedad Física Americana], la luz solar aumenta la entropía de la Tierra, año tras año tras año. Si uno cuenta solo el enfriamiento del Sol a medida que irradia calor hacia la Tierra, entonces la entropía del Sol disminuye una pequeña cantidad al mismo tiempo que la entropía de la Tierra aumenta en una cantidad mucho mayor. Todo esto es justo lo contrario de la afirmación darwinista de que la entropía de la Tierra puede disminuir si hay un aumento de entropía en el Sol que lo compense.
Para ser más rigurosos, debemos recordar que la quema del combustible del Sol aumenta su entropía de forma irreversible. La temperatura del Sol no cambia porque el calor que sale cada segundo es igual al calor generado por la quema de combustible. La entropía de la quema de combustible es la energía producida dividida por la temperatura. La entropía del Sol y la entropía de la Tierra aumentan constantemente. Mirando en detalle cada parte del sistema, no hay disminución de entropía en ninguna parte.