Entropía en tres partes: (IV) El restaurante al final del Universo

Hace tres capítulos empezábamos con una palabra que casi todos habíamos oído alguna vez: entropía. 

Después descubrimos que NO era una medida del desorden.

Más tarde comprendimos que tampoco era una fuerza misteriosa que empujaba al Universo. Era algo mucho más sencillo y, al mismo tiempo, mucho más profundo. Una cuestión de probabilidades.

Ahora solo queda una pregunta. La última: ¿Tiene final esta historia?

El Universo también envejece

Cuando pensamos en el Universo, en el Cosmos, en su absoluta e inmensa grandeza, solemos imaginar explosiones gigantescas como las supernovas, colisiones de galaxias, agujeros negros tragándose estrellas... Todo parece enorme, dinámico, violento... Fascinante.

Pero el futuro lejano del Universo probablemente será bastante menos espectacular. Porque las estrellas no tienen combustible infinito.

Las más masivas morirán relativamente pronto. Otras permanecerán brillando durante tiempos enormes. Y algunas de las estrellas más pequeñas pueden sobrevivir durante periodos que hacen que los miles de millones de años de edad del Universo parezcan casi un suspiro.

Pero tarde o temprano también ellas dejarán de brillar. Y llegará un momento en que la formación de nuevas estrellas será cada vez más difícil.

El Universo seguirá existiendo, pero tendrá cada vez menos luces encendidas.

Todo necesita un desnivel

Aquí aparece una idea que merece detenerse un instante.

Un molino funciona porque el agua cae, un aerogenerador funciona porque existen diferencias de presión y temperatura en la atmósfera, una máquina térmica funciona porque existe una diferencia de temperatura, una batería puede hacer funcionar un motor porque existe una diferencia de potencial eléctrico.

Y nuestro propio cuerpo vive porque constantemente transforma energía química.

La vida, las máquinas y, en cierto sentido, el propio Universo necesitan diferencias, desniveles.

Porque esas diferencias permiten que la energía se transforme y que ocurran procesos.

Una presa puede almacenar una enorme cantidad de energía potencial gravitatoria, pero si no existe un desnivel que permita que el agua fluya, no tendremos electricidad.

La energía puede seguir estando ahí, pero lo que hemos perdido es la posibilidad de aprovechar esa diferencia para hacer trabajo.

Y aquí es donde la entropía vuelve a aparecer: A medida que un sistema evoluciona espontáneamente hacia estados más probables, las diferencias que podemos aprovechar para producir trabajo tienden a disminuir.

No porque la entropía sea una fuerza que las destruya, sino porque los estados de equilibrio, aquellos en los que ya no quedan grandes diferencias aprovechables, son estadísticamente muchísimo más numerosos. Y eso nos lleva a una de las expresiones más inquietantes de la Física:

El verdadero enemigo no es el frío (que, por otro lado, ni siquiera existe)

Aquí aparece uno de los nombres más desafortunados de toda la Física:

La muerte térmica del Universo.

Suena casi gore, y no significa simplemente que todo vaya a congelarse. En realidad no sabemos con certeza si el Universo terminará exactamente como suelen describirlo las ilustraciones de divulgación más comunes.

La naturaleza de la energía oscura, esa componente misteriosa que está haciendo que la expansión del Universo se acelere, sigue siendo uno de los grandes interrogantes de la Cosmología. Y dependiendo de  lo que realmente sea, el futuro del Universo podría ser diferente.

Pero existe un escenario posible, y es el que nos interesa aquí:

Un Universo que continúa expandiéndose y en el que, con el paso del tiempo, las diferencias de temperatura y las fuentes de energía libre disponibles para realizar trabajo se hacen cada vez menores.

No es tanto que el Universo se quede sin energía, la energía puede seguir estando ahí. El problema es que cada vez resulta más difícil hacer algo con ella. Es la diferencia entre tener agua y tener una presa con un desnivel, sin desnivel, el agua sigue existiendo, pero el molino deja de girar.

Claudia tiene paciencia

Aquí Claudia está tumbada sobre una roca. Detrás de ella, un cielo oscuro, muy oscuro. Ya no hay tantas estrellas como antes. Solo alguna luz débil rompe de vez en cuando la oscuridad.

Claudia bosteza, parece aburrida. Y tiene razón. Ha pasado tal cantidad de tiempo que nuestra imaginación apenas puede concebirlo y... el Universo sigue ahí, pero cada vez ocurren menos cosas. Y Claudia espera, porque todavía queda algo que observar.

Los últimos gigantes

Cuando las estrellas ya no sean el mayor espectáculo del Universo, todavía quedarán algunos protagonistas: los Agujeros Negros.

Durante tiempos inimaginablemente largos seguirán siendo algunos de los objetos más extraordinarios del Universo. Pueden crecer alimentándose de materia, pueden fusionarse y pueden permanecer durante muchísimo tiempo cuando casi todo lo demás haya desaparecido.

Parecen eternos, pero tampoco lo son.

Stephen Hawking descubrió que, debido a efectos cuánticos, los agujeros negros pueden emitir una pequeñísima cantidad de radiación: la llamada radiación de Hawking.

Tan pequeña que, para los agujeros negros habituales, resulta prácticamente insignificante. Pero existe, y significa que, muy lentamente, un agujero negro puede perder masa. Muy lentamente... Durante periodos de tiempo que hacen que la edad actual del Universo parezca insignificante.

Hasta que, si nuestra descripción actual de la Física sigue siendo válida durante todo ese tiempo, incluso los últimos agujeros negros acabarían desapareciendo.

Hawking a punto de ser espaguetizado por un Agujero Negro

Y entonces habremos llegado a una etapa del Universo extraordinariamente diferente de la que conocemos: Sin estrellas. sin planetas como los actuales, sin grandes fuentes de energía libre. Y con muy pocos procesos capaces de producir cambios a gran escala.

¿Y después?

Aquí debemos tener cuidado.

No sabemos exactamente cómo será el Universo en esos tiempos, no sabemos qué es realmente la energía oscura. No sabemos con certeza cuál será el destino último de toda la materia.

Ni siquiera sabemos si nuestra descripción actual de la Física seguirá siendo válida a escalas de tiempo tan absurdamente grandes.

Pero sí podemos entender la idea fundamental.

Si el Universo continúa evolucionando hacia estados cada vez más próximos al equilibrio térmico, llegará un momento en que las diferencias que permiten producir trabajo serán extraordinariamente pequeñas.

Y entonces tendremos un Universo muy diferente del que conocemos. No necesariamente completamente vacío. No necesariamente con cada partícula aislada para siempre. No necesariamente "congelado" en el sentido cotidiano de la palabra.

Simplemente un Universo en el que casi no queden diferencias capaces de alimentar grandes procesos. Las leyes de la Física seguirían estando ahí. Pero habría cada vez menos cosas interesantes que pudieran suceder.

Cuando lo inverosímil tiene tiempo suficiente

Y aquí volvemos, una última vez, al perfume.

En el capítulo anterior vimos que las moléculas de perfume se dispersaban por la habitación y nunca las veíamos regresar espontáneamente al frasco. Pero "nunca" no significa exactamente lo mismo que "imposible".

Si una fluctuación es extremadamente improbable, podemos imaginar que, dado un tiempo suficientemente largo, podría ocurrir. El problema es que algunas oportunidades requieren tiempos tan absurdamente grandes que, para cualquier propósito práctico, podemos tratarlas como imposibles.

Pero justo, si empezamos a considerar tiempos absurdamente grandes aparece una de las ideas más locas que nos dejó la Física:

El cerebro de Boltzmann

Nuestro austriaco favorito nos regala una última sorpresa.

Imaginemos un Universo extremadamente viejo, cercano al equilibrio, en el que durante tiempos inimaginables apenas sucede nada.

Si las fluctuaciones estadísticas siguen siendo posibles, podemos plantearnos una pregunta verdaderamente absurda:

¿Qué sería más probable?

¿Que apareciera espontáneamente un Universo entero como el nuestro, con galaxias, estrellas, planetas, vida y una historia de miles de millones de años?

¿O que apareciera solamente una pequeña región con la estructura necesaria para contener un cerebro? Un cerebro con recuerdos. Recuerdos de una infancia, de una familia, de haber aprendido Física. De haber vivido una vida entera... Aunque esa vida jamás hubiera sucedido.

Eso es lo que conocemos como el Cerebro de Boltzmann.

Nuestro querido Boltzmann pensando en la cara que se nos pondrá al escuchar su idea.

Y sí, es una idea científica real, aunque probablemente no sea una idea especialmente tranquilizadora. Porque si un Universo eterno o extraordinariamente longevo permite fluctuaciones estadísticas suficientemente improbables, aparece una pregunta incómoda:

¿Cómo sabemos que nuestra historia es real y no somos simplemente una fluctuación estadística extraordinariamente improbable?

No vamos a resolverlo aquí, ni siquiera está claro que el problema pueda plantearse de esa manera en nuestro Universo real. Pero creemos que es una manera magnífica de terminar nuestra historia, porque después de cuatro capítulos preguntándonos por qué recordamos el pasado... hemos terminado preguntándonos si nuestros recuerdos podrían ser, ellos mismos, parte de una fluctuación.

Entonces...

Durante cuatro capítulos hemos hablado de calor, de café, de perfume, de estrellas, galaxias y agujeros negros.

Pero en realidad siempre hemos estado hablando de una única cosa:

¿Por qué el Universo tiene historia? ¿Por qué existen recuerdos? ¿Por qué podemos distinguir ayer de mañana? ¿Por qué una taza de café se enfría y nunca aprende el camino de vuelta?

La respuesta no era una fuerza, ni una ley misteriosa, ni un reloj cósmico.

Era la estadística.

La entropía nos dice qué estados son mucho más probables que otros. Y nosotros vivimos precisamente en uno de esos momentos extraordinarios en los que todavía existen enormes diferencias de energía y de temperatura que permiten que ocurran cosas.

Hay galaxias, estrellas, planetas, química, vida. Y hay cerebros capaces de preguntarse por qué existe todo esto. Todavía hay una flecha del tiempo.

Quizá dentro de un tiempo que escapa por completo a nuestra imaginación el Universo sea un lugar silencioso, con muy pocas estrellas, sin grandes diferencias de temperatura, sin grandes fuentes de energía libre. Un Universo en el que la flecha del tiempo apenas tenga procesos macroscópicos sobre los que dejar su huella.

Pero hoy todavía no.

Así que esta noche, cuando salgamos a mirar las estrellas, podremos recordar algo extraordinario:

Estamos viviendo en un Universo en el que todavía tienen que pasar muchas cosas.

Y quizá eso sea, después de todo, lo verdaderamente maravilloso de estar aquí.

p.s: Hay premio para quien pille el guiño del título del artículo 😜

El Sol y la Luna bailan un Tango (o una seguidilla)

Hacemos un pequeño alto en nuestro relato sobre la Entropía, para atender una "urgencia astronómica".

Hay espectáculos que ocurren todos los días o casi: Un amanecer, una lluvia de estrellas, la Luna llena asomando por el horizonte. (Aunque a veces pasemos meses, o incluso años, sin detenernos a contemplarlos).

Y hay otros que, aunque obedecen exactamente las mismas leyes de la Física, conservan intacta la capacidad de dejarnos sin palabras.

El próximo 12 de agosto tendremos la suerte de asistir a uno de ellos.

Durante unos minutos, la Luna se interpondrá entre la Tierra y el Sol, ocultando gran parte de nuestra estrella y regalándonos uno de los fenómenos más impresionantes que pueden contemplarse a simple vista... siempre que lo hagamos con la protección adecuada.

No veremos un eclipse total desde Cózar.

Pero estaremos muy cerca de vivir una experiencia extraordinaria.

¿Qué es realmente un eclipse?

La explicación es sorprendentemente sencilla.

La Luna gira alrededor de la Tierra, la Tierra gira alrededor del Sol.

La mayor parte del tiempo sus órbitas están ligeramente inclinadas y la Luna pasa por encima o por debajo del Sol visto desde nuestro planeta.

Gráfico de un Eclipse Solar, del libro de Yakov Perelman, Astronomía Recreativa

Pero, de vez en cuando, los tres cuerpos se alinean casi perfectamente. Entonces la Luna proyecta su sombra sobre una pequeña región de la Tierra. Y durante unos minutos parece que alguien ha decidido apagar el Sol.

No hay magia, bueno sí... Magia astronómica.

¿Cómo se verá desde Cózar?

Desde Cózar podremos disfrutar de un eclipse parcial muy profundo.

El Sol irá transformándose poco a poco en un creciente cada vez más fino, parecerá como si alguien fuera mordiendo lentamente el disco solar. La luz cambiará de una forma difícil de describir, los colores del paisaje se volverán extraños, las sombras aparecerán más definidas, la temperatura puede descender ligeramente (¡Bien!)

Y, aunque no llegaremos a la oscuridad de un eclipse total, el ambiente tendrá algo especial. Algo que cuesta explicar hasta que se vive.

¿Cuándo tendremos que mirar?

En Cózar el eclipse comenzará aproximadamente a las 19:39. La Luna irá ocultando poco a poco el Sol hasta alcanzar el máximo alrededor de las 20:35, cuando solo quedará visible un finísimo creciente. El fenómeno terminará hacia las 21:26, con el Sol ya poniéndose sobre el horizonte oeste-noroeste.

Un consejo: buscad un lugar con el horizonte oeste completamente despejado. En un eclipse como este, un árbol o una loma pueden convertirse en el peor enemigo del espectáculo.

¿Y por qué no veremos la totalidad?

Porque la sombra más oscura de la Luna —la umbra— recorrerá una estrecha franja de la Península Ibérica.

Nosotros estaremos muy cerca de ella, pero no exactamente dentro. Y esa pequeña diferencia lo cambia todo.

En un eclipse total desaparece por completo el disco solar. Entonces aparece la corona, el cielo se oscurece como si fuera un crepúsculo y durante unos instantes parece que el Universo contiene la respiración.

En un eclipse parcial, aunque el Sol quede reducido a un finísimo arco luminoso, esa pequeña porción sigue siendo extraordinariamente brillante.

Fuente: IGN Región de la Tierra donde el eclipse del 12 de agosto de 2026 será visible.

Por eso, durante todo el eclipse, será imprescindible utilizar gafas homologadas para observación solar. Nunca debemos mirar directamente al Sol sin la protección adecuada.

Merece la pena repetirlo una vez más: Nunca debemos mirar directamente al Sol sin protección homologada. Ni siquiera cuando quede reducido a un finísimo creciente.

Levantar la vista

Vivimos rodeados de pantallas, demasiadas. Consultamos el tiempo en el móvil, vemos fotografías espectaculares del espacio cada día.

Y, sin embargo, muy pocas veces levantamos la vista para contemplar un fenómeno astronómico con nuestros propios ojos.

Quizá por eso un eclipse sigue siendo tan especial. No hace falta comprender la mecánica celeste ni saber calcular órbitas.

Solo hace falta mirar. Y dejar que, durante unos minutos, el Universo haga lo que lleva haciendo miles de millones de años.

Una cita con el cielo

El próximo 12 de agosto, si las nubes nos lo permiten, el Sol y la Luna nos ofrecerán un espectáculo que no ocurre todos los veranos.

Buscaremos un buen horizonte, llevaremos nuestras gafas de eclipse y compartiremos unos minutos de asombro.

Porque hay experiencias que ninguna fotografía consigue transmitir del todo. Y un eclipse solar es una de ellas.

Quizá dentro de unos años no recordemos exactamente la hora del máximo del eclipse. Pero probablemente sí recordemos dónde estábamos cuando levantamos la vista y vimos cómo la Luna comenzaba a ocultar el Sol.

P.S: Para más información visita la Web sobre Eclipses del Instituto Geográfico Nacional

Entropía en tres partes: (III) La flecha del tiempo

"Si las leyes fundamentales de la Física apenas distinguen entre pasado y futuro... ¿por qué nosotros sí?"

El perfume rebelde

Abres un frasco de perfume.

En pocos segundos el aroma comienza a extenderse por toda la habitación. Un minuto después llega hasta la puerta. Cinco minutos más tarde parece estar en todas partes.

Nunca ocurre al revés.

Jamás has entrado en una habitación perfumada para ver cómo, poco a poco, todas las moléculas del aroma abandonan el aire y deciden reunirse espontáneamente dentro del frasco.

Y, sin embargo, la Física no dice que eso sea imposible. Dice algo mucho más interesante: que es extraordinariamente improbable.

Y esa diferencia cambia por completo nuestra forma de entender el Universo.

El café nunca aprende el camino de vuelta

En el primer capítulo hablábamos de un café caliente. Ahora ya podemos responder la pregunta que dejamos pendiente.

¿Por qué se enfría?

No existe una fuerza misteriosa que empuje el calor hacia fuera. El Universo no "quiere" enfriar el café. Simplemente existen muchísimas más maneras de repartir la energía entre el café, la taza y el aire que de mantenerla concentrada únicamente dentro del café.

Las moléculas rápidas chocan con las lentas, la energía se redistribuye y la probabilidad hace el resto.

El café no conoce las leyes de la termodinámica, simplemente obedece las leyes de la estadística.

El huevo más famoso de la Física

Existe un ejemplo que aparece una y otra vez en libros, documentales y vídeos de divulgación.

Un huevo cae al suelo, o sufre algún tipo de accidente... la cáscara se rompe, la clara y la yema se mezclan, los fragmentos salen despedidos.

Nadie se sorprende.

Pero ahora imagina exactamente la misma escena... al revés: Los trozos comienzan a deslizarse por el suelo, la clara vuelve a separarse de la yema, la cáscara se recompone.

Todo el mundo sabe que la película está al revés. La pregunta es...

¿Cómo lo sabemos?

Porque reconocemos intuitivamente cuál de las dos escenas conduce hacia un estado mucho más probable.

No vemos el tiempo, vemos la entropía.

(Sí, ya sé que este ejemplo tiene un pequeño truco y la verdad es que no es mi ejemplo favorito, pero es el más famoso: La gravedad ayuda bastante a romper el huevo y no precisamente a reconstruirlo. Pero una vez olvidamos el golpe inicial, la pregunta sigue siendo fascinante: ¿por qué millones de moléculas nunca deciden reorganizarse espontáneamente? Ahí es donde entra realmente la entropía.)

Una película que nadie creería

Podríamos hacer el mismo experimento con casi cualquier fenómeno cotidiano.

Un vaso roto que vuelve a ensamblarse, la tinta regresando al interior del bolígrafo, todo el oxígeno de una habitación concentrándose espontáneamente en un pequeño rincón del techo haciendo que los seres vivos en la estancia lo pasen realmente mal... 

O toda la sal de los océanos reuniéndose únicamente en el Mediterráneo. (Aunque, como no nos pongamos serios con el calentamiento global, casi vamos camino de conseguirlo por otros métodos.)

Todas esas escenas nos parecen absurdas, no porque contradigan las leyes fundamentales de la Física.

¡No las contradicen en absoluto!

Nos resultan imposibles porque desafían algo mucho más poderoso: Las probabilidades.

El gran descubrimiento de Boltzmann

Y aquí aparece una de las ideas más sorprendentes de toda la Física.

Durante siglos pensamos que el tiempo era una propiedad fundamental del Universo; que las leyes distinguían claramente entre pasado y futuro.

Boltzmann propuso una idea mucho más desconcertante.

Quizá el Universo no distingue el pasado del futuro. Quizá somos nosotros quienes lo hacemos.

Si filmáramos dos planetas orbitando alrededor del Sol y reprodujéramos la película al revés, las ecuaciones de Newton seguirían describiendo correctamente el movimiento.

Lo mismo ocurre con gran parte del electromagnetismo: las ecuaciones de Maxwell tampoco distinguen, en esencia, entre una película reproducida hacia delante o hacia atrás si invertimos adecuadamente las magnitudes implicadas.

E incluso la mecánica cuántica, en su formulación habitual, conserva prácticamente esa misma simetría temporal.

Las ecuaciones, por sí solas, apenas distinguen entre avanzar o retroceder en el tiempo.

Entonces...

¿de dónde sale esa sensación tan intensa de que el tiempo solo avanza hacia delante?

La flecha invisible del Tiempo

La respuesta comenzó a aparecer cuando Boltzmann unió la termodinámica con la estadística.

El tiempo parece tener una dirección porque la entropía tiende a aumentar. No porque exista una fuerza que empuje al Universo hacia el futuro. Sino porque, en cada instante, existen infinitamente más formas de estar un poco más cerca del equilibrio que de regresar exactamente al estado anterior.

La flecha del tiempo no está escrita en las leyes de la Física; la dibuja la probabilidad.

O, dicho de otra forma: El tiempo no fluye porque las leyes lo empujen. Fluye porque las probabilidades lo favorecen.

¿Y nuestros recuerdos?

Todavía queda un detalle inquietante. Recordamos el pasado pero nunca recordamos el futuro. Las fotografías muestran lo que ocurrió, las huellas apuntan hacia atrás, las cicatrices cuentan historias antiguas.

Todo aquello que utilizamos para reconstruir nuestra historia consiste, precisamente, en procesos donde la entropía ha aumentado.

Quizá nuestra memoria sea simplemente otra consecuencia de esa flecha estadística. Aunque esa idea merece una conversación mucho más larga... y probablemente una taza de café... caliente o frío...

Conclusión

Hasta ahora hemos descubierto que la entropía no significa desorden, sino que mide el número de maneras diferentes en que un sistema puede organizarse.

Y precisamente porque algunos estados son inmensamente más probables que otros, ciertos procesos ocurren una y otra vez... siempre en la misma dirección temporal.

No porque las leyes fundamentales obliguen al Universo a avanzar, sino porque la estadística hace extraordinariamente improbable cualquier otro camino.

Pero entonces aparece una pregunta inevitable.

Si el Universo lleva casi catorce mil millones de años aumentando su entropía, ¿qué ocurrirá cuando ya no pueda aumentar más?

¿Qué aspecto tendría un Universo donde ya no quedara ninguna dirección estadísticamente preferente? Ése será el tema de nuestro último capítulo.

(Sí, ya sabemos que el título dice "Entropía en tres partes". Pero nos acogemos orgullosamente al precedente de Douglas Adams y su inolvidable Trilogía en cuatro partes que al final fueron cinco. Nosotros, de momento, solo llevamos una de más.)

P.D: Imágenes generadas por ChatGPT, con aparición estelar de nuestra querida y añorada Claudia en todas ellas.