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 😜