"Así es como termina el mundo,
no con un estallido sino con un lloriqueo".
(T. S. Elliot)

La termodinámica es la rama de la física teórica que trata de las leyes de la moción del calor, y de la conversión del calor en otros tipos de energía. La palabra proviene de las palabras griegas therme ("calor") y dynamis ("fuerza"). Se basa en dos principios originalmente deducidos de experimentos, pero que ahora se consideran axiomas. El primer principio es la ley de la conservación de la energía que asume la forma de la ley de la equivalencia de calor y trabajo. El segundo principio plantea que el calor no puede pasar de un cuerpo más frío a un cuerpo más caliente sin cambios en ningún otro cuerpo.

La ciencia de la termodinámica fue un producto de la revolución industrial. A principios del siglo XIX se descubrió que la energía se puede transformar de diferentes maneras, pero en ningún caso se puede crear ni destruir. Esta es la primera ley de la termodinámica ¾ una de las leyes fundamentales de la física¾ . En 1850, Robert Clausius descubrió la segunda ley de la termodinámica, que plantea que la entropía (es decir, la ratio de la energía de un cuerpo en relación a su temperatura) siempre se incrementa en cualquier transformación de energía, por ejemplo en una máquina de vapor.

En general se interpreta la entropía como una tendencia general a la desorganización. Toda familia sabe que una casa, sin una intervención consciente, tiende a pasar de un estado de orden al desorden, especialmente si hay niños. El hierro se oxida, la madera se pudre, la carne se pone mala, se enfría el agua del baño. En otras palabras, parece haber una tendencia general a la decadencia. Según la segunda ley de la termodinámica, los átomos, sin ninguna intervención externa, se mezclaran y desordenaran entre ellos tanto como sea posible. Las cosas se oxidan debido a que los átomos del hierro tienden a mezclarse con oxígeno del aire que les rodea para formar oxido de hierro. Las moléculas de movimiento rápido de la superficie del agua del baño chocan con las partículas de movimiento más lento del aire frío y les transfieren su energía.

Esta es una ley limitada, que no se aplica a sistemas compuestos de un pequeño número de partículas (microsistemas) o a sistemas con un número infinito de partículas (el universo). Sin embargo se han hecho repetidos intentos de extender su aplicación más allá de su esfera apropiada, llevando a todo tipo de conclusiones filosóficas falsas. A mitad del siglo pasado, R. Clausius y W. Thomson, los autores de la segunda ley de la termodinámica, intentaron aplicar la segunda ley al universo en su conjunto, y llegaron a una teoría completamente falsa, conocida como la teoría de la "muerte térmica" del final del universo.

Esta ley fue redefinida en 1877 por Ludwig Boltzmann, que intentó deducir la segunda ley de la termodinámica de la teoría atómica de la materia, que por aquel entonces estaba ganando terreno. En la versión de Boltzmann, la entropía aparece como una función de la probabilidad más que como un estado dado de la materia: cuanto más probable sea el estado, mayor es la entropía. En esta versión todos los sistemas tienden a un estado de equilibrio (un estado en el que no hay flujo de energía neto). Por lo tanto, si un objeto caliente está situado al lado de otro objeto frío, la energía (el calor) fluirá del caliente al frío hasta que lleguen a un equilibrio, es decir, que ambos tengan la misma temperatura.

Boltzmann fue el primero en estudiar los problemas de la transición del nivel microscópico (pequeña escala) al nivel macroscópico (gran escala) en la física. Intentó reconciliar las nuevas teorías de la termodinámica con la física clásica de las trayectorias. Siguiendo el ejemplo de Maxwell, intentó resolver los problemas a través de la teoría de la probabilidad. Esto representó una ruptura radical con los viejos métodos newtonianos mecanicistas. Boltzmann se dio cuenta de que el aumento irreversible en la entropía podía ser visto como una expresión de un creciente desorden molecular. Su principio de orden implica que el estado más probable a disposición de un sistema es aquel en el que una multiplicidad de acontecimientos que tienen lugar simultáneamente en un sistema se anulan los unos a los otros estadísticamente. Mientras que las moléculas se pueden mover al azar, como media, en un momento dado, habrá igual número de moléculas moviéndose en una dirección que en la otra.

Existe una contradicción entre energía y entropía. El equilibrio inestable entre las dos está determinado por la temperatura. A bajas temperaturas, la energía domina y podemos observar el surgimiento de estados ordenados (entropía débil) y baja energía, como en los cristales, en los que las moléculas están atadas a cierta posición en relación a otras moléculas. Sin embargo, a altas temperaturas, la entropía prevalece y se expresa a través del desorden molecular. La estructura del cristal se rompe y tenemos la transición a un estado primero líquido y después gaseoso.

La segunda ley dice que la entropía de un sistema aislado siempre aumenta, y que cuando se unen dos sistemas, la entropía del sistema combinado es mayor que la suma de las entropías de los sistemas individuales. Sin embargo, la segunda ley de la termodinámica no es como otras leyes de la física, como la ley de la gravedad de Newton, precisamente porque no se puede aplicar en todas las circunstancias. La segunda ley de la termodinámica, deducida inicialmente de una esfera concreta de la mecánica clásica, está limitada por el hecho de que Boltzmann no tuvo en cuenta fuerzas como el electromagnetismo o incluso la gravedad, teniendo en cuenta solamente colisiones atómicas. Esto nos da una visión tan restringida de los procesos físicos que no se puede considerar de aplicación general, aunque se aplica a sistemas limitados como calentadores. La segunda ley no es cierta en todas las circunstancias. Por ejemplo la moción de Brown la contradice. Como ley general del universo en su forma clásica, simplemente no es cierta.

Se ha planteado que la segunda ley implica que el universo en su conjunto debe tender hacia un estado de entropía. Por analogía con un sistema cerrado, todo el universo tendría que acabar en un estado de equilibrio con la misma temperatura en todas partes. Las estrellas se quedarían sin combustible. Toda la vida cesaría. El universo se iría diluyendo en una extensión amorfa de la nada. Sufriría una "muerte térmica". Esta visión sombría del universo está en contradicción abierta con todo lo que sabemos de su evolución pasado, o de lo que podemos observar en el presente. La misma noción de que la materia tiende a algún estado de equilibrio absoluto va en contra de la propia naturaleza. Es una visión abstracta y sin vida del universo. Actualmente el universo está lejos de estar en ningún tipo de equilibrio, y tampoco existe el más mínimo indicio de que un estado de este tipo haya existido nunca en el pasado o vaya a existir en el futuro. Es más, si la tendencia hacia el aumento de la entropía es permanente y lineal, no está claro porque el universo no ha acabado hace ya tiempo reducido a una sopa tibia de partículas indiferenciadas.

Este es otro ejemplo de lo que sucede cuando se intenta llevar teorías científicas más allá de los límites en los que tienen una aplicación comprobada. Las limitaciones de los principios de la termodinámica ya se demostraron en el siglo pasado en una polémica entre Lord Kelvin, el famoso físico inglés, y los geólogos en relación a la edad de la tierra. Las predicciones de Lord Kelvin sobre la base de la termodinámica iban en contra de todo lo que se conocía de evolución biológica y geológica. La teoría planteaba que la tierra debía de haber estado fundida hace tan solo 20 millones de años. Una enorme acumulación de pruebas demostró que los geólogos estaban en lo cierto y Lord Kelvin no.

En 1928, Sir James Jean, el científico e idealista inglés, recuperó los viejos argumentos sobre la "muerte térmica" del universo añadiendo elementos tomados de la teoría de la relatividad de Einstein. En la medida en que materia y energía son equivalentes planteó que el universo tendría que acabar con una conversión completa de materia en energía. "La segunda ley de la termodinámica", profetizó sobriamente, "empuja a los materiales en el universo (sic) a moverse siempre en la misma dirección por el mismo camino que acaba solamente en muerte y aniquilación".46

Más recientemente se han planteado escenarios igualmente pesimistas. En palabras de un libro publicado recientemente:

"Por lo tanto el universo del futuro muy lejano sería una sopa inconcebiblemente diluida de fotones, neutrinos, y un número cada vez más pequeño de electrones y positrones, todos ellos separándose lentamente entre si. Por lo que sabemos, nunca más sucederían procesos físicos básicos. No tendría lugar ningún acontecimiento significativo que interrumpiese la sombría esterilidad de un universo que ya ha recorrido su camino y sin embargo se enfrenta a la vida eterna quizás muerte eterna sería la mejor descripción.

"Esta imagen lúgubre, oscura, fría, informe, que casi se acerca a la nada es lo más cerca que llega la cosmología moderna a la "muerte térmica" de la física del siglo XIX".47

¿Qué conclusión hay que sacar de todo esto? Si toda la vida, y de hecho toda la materia, no sólo en la tierra, sino en todo el universo, está condenada, ¿porque preocuparnos por nada? La extensión injustificada de la segunda ley más allá de sus límites de aplicación da lugar a todo tipo de conclusiones filosóficas falsas y nihilistas. De esta manera, Bertrand Russell escribió las siguientes líneas en Porqué no soy cristiano:

"Todos los trabajos de las siglos, toda la devoción, toda la inspiración, todo el brillo del mediodía del genio humano, están destinados a la extinción en la amplia muerte del sistema solar, y el templo completo de los logros del hombre debe quedar inevitablemente sepultado bajo los escombros de un universo en ruinas, todas estas cosas, si no están más allá de toda discusión, por lo menos son tan prácticamente ciertas que ninguna filosofía que las rechace puede esperar mantenerse. Sólo dentro del andamiaje de estas verdades, sólo sobre los firmes fundamentos de esta terca desesperación, puede de aquí en adelante construirse seguramente el habitáculo del alma".48

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 ¾ crecimiento y auto organización espontáneas¾ . 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".