Re: La verdad y la elegancia / Juan Martínez
Me voy a permitir una traducción
casera, pido disculpas:
Boltzmann`s explanation of the second
law of thermodynamics.
“What is your favorite, deep, elegant,
or beautiful explanation?”.Es una cuestión difícil para un físico
teórico;la física teórica está llena de explicaciones profundas,
elegantes y bellas;así que hay mucho donde escoger.
Mis favoritas son aquellas que dan mucho por
poco; en la física, ecuaciones simples o principios generales.Tengo
que admitir sin embargo, que ninguna ecuación o principio me gusta
tanto como la evolución de Darwin, con el mecanismo del gen
egoísta.Para mí tiene lo que tienen las mejores explicaciones de la
física:una suerte de inevitabilidad matemática.Pero hay mucha gente
que puede explicar la evolución mucho mejor que yo, así que me
limitaré a lo que mejor conozco.
Como físico, mi estrella guía ha sido
la explicación de Boltzmann de la segunda ley de la termodinámica: la
ley que dice que la entropía nunca disminuye.Para los físicos de
finales del siglo xix, era una seria paradoja.La naturaleza está llena
de procesos irreversibles:cosas que ocurren fácilmente pero que no
pasan en orden inverso.Sin embargo, las leyes fundamentales de la
física son completamente reversibles:cualquier solución de las
ecuaciones de Newton(posición de un móvil en el tiempo) es válida
tanto para tiempos positivos(trayectoria futura) como
negativos(trayectoria anterior).
Así, si la entropía puede aumentar, las leyes de la física dicen que
debería poder disminuir.Pero la experiencia dice lo contrario.Por
ejemplo, si se ve una película de una explosión nuclear al revés, se
sabe que es falso.Como regla, las cosas van en una dirección y no en
la otra.La entropía aumenta.
Boltzmann se dio cuenta de que la
segunda ley – la entropía nunca disminuye – no es una ley en el mismo
sentido que la ley gravitatoria de Newton o la ley de inducción de
Faraday.Es una ley probabilística , así que sus verdades también lo
son ; si lanzas una moneda un millón de veces, no obtendrás un millón
de caras.No pasará.¿Pero es posible?.Sí, lo es; no viola ninguna ley
física.¿Es probable?.De ninguna manera.La formulación de Boltzmann de
la segunda ley fue muy similar.En lugar de decir que la entropía no
disminuye, dijo que probablemente (la entropía) no disminuye.Pero si
esperas en un medio cerrado durante suficiente tiempo, podrías ver
disminuir la entropía: de este modo, partículas y polvo podrían
ensamblarse, por ellos mismos, en una bomba perfecta.¿Cuánto tiempo
necesitarían para que esto sucediera?.De acuerdo a los principios de
Boltzmann, la exponencial de la entropía creada cuando la bomba
explota.Un tiempo muy grande, mucho más grande que el necesario para
sacar un millón de caras seguidas en el lanzamiento de una moneda.
Ahora daré un ejemplo sencillo para
ver cómo es posible que las cosas sean más probables de un modo que de
otro,siendo ambos posibles.Imagine una alta colina en pico puntiagudo.
Ahora imagine una pelota (de jugar a los bolos) en equilibrio en lo
alto de la colina.Se levanta una pequeña brisa.La pelota rueda hasta
la base de la colina y la coge.Hagámoslo al revés: la pelota deja sus
manos, sube la colina y, con suma delicadeza, llega a la cima y se
para.¿Es posible?.Sí.¿Es probable?.No.Se tendría que tener una
precisión casi perfecta para que eso sucediera.Lo mismo pasa con la
bomba.Si pudiera revertirse cada átomo y partícula con suficiente
exactitud, podría conseguirse que se ensamblaran ellos mismos.Pero una
pequeña inexactitud en el movimiento de una sola partícula, y todo lo
que se obtendría es más basura.
Aquí otro ejemplo: echar un poco de
tinta negra en un tubo de agua.La tinta se extiende y el agua se
vuelve gris.¿Podría un tubo de agua gris aclarase , produciendo una
pequeña gota de tinta?.No es imposible, pero es muy improbable.
Boltzmann fue el primero en entender
el fundamento estadístico de la segunda ley, pero también el primero
en entender la insuficiencia de su propia formulación.Supongamos que
llega a nuestras manos un tubo llenado hace millones y millones de
años y que no ha sido perturbado desde entonces.Extrañamente, tiene
localizada una nube de tinta.Lo primero que puede preguntarse es que
qué será lo próximo que pase.La respuesta es que la tinta, casi con
toda seguridad, se extenderá más.Pero del mismo modo, si se pregunta
qué era lo más probable un momento antes, la respuesta es la misma:era
más probable que estuviese más extendida que ahora.La explicación más
probable sería que la mancha de tinta está justo en una fluctuación
momentánea.
No pienso que debamos llegar a esa
conclusión.Una explicación más razonable es que por razones
desconocidas, el tubo comenzó, no hace tanto, con una gota concentrada
de tinta , la cual se propagaría.Entender el modo en que se combinan
la gota y el agua, se reduce así a un problema de “condiciones
iniciales”:cuál es la concentración de tinta al inicio.
El agua y la tinta es una analogía
para la cuestión de por qué la entropía aumenta.Aumenta porque lo más
probable es que aumente.Pero las ecuaciones dicen que es también más
probable que aumente hacia el pasado.Para entender por qué tenemos
este sentido de dirección,debemos preguntarnos como Boltzmann:¿Por qué
la entropía era pequeña al principio?.¿Qué creó el universo en ese
modo especial de baja entropía?.Esta pregunta cosmológica es todavía
muy incierta.
Empecé hablando de mi explicación
favorita y terminé hablando de mi problema favorito irresoluto.Pido
disculpas por no seguir las instrucciones.Pero esa es la forma de las
buenas explicaciones.Cuanto mejores son, más preguntas suscitan.
casera, pido disculpas:
Boltzmann`s explanation of the second
law of thermodynamics.
“What is your favorite, deep, elegant,
or beautiful explanation?”.Es una cuestión difícil para un físico
teórico;la física teórica está llena de explicaciones profundas,
elegantes y bellas;así que hay mucho donde escoger.
Mis favoritas son aquellas que dan mucho por
poco; en la física, ecuaciones simples o principios generales.Tengo
que admitir sin embargo, que ninguna ecuación o principio me gusta
tanto como la evolución de Darwin, con el mecanismo del gen
egoísta.Para mí tiene lo que tienen las mejores explicaciones de la
física:una suerte de inevitabilidad matemática.Pero hay mucha gente
que puede explicar la evolución mucho mejor que yo, así que me
limitaré a lo que mejor conozco.
Como físico, mi estrella guía ha sido
la explicación de Boltzmann de la segunda ley de la termodinámica: la
ley que dice que la entropía nunca disminuye.Para los físicos de
finales del siglo xix, era una seria paradoja.La naturaleza está llena
de procesos irreversibles:cosas que ocurren fácilmente pero que no
pasan en orden inverso.Sin embargo, las leyes fundamentales de la
física son completamente reversibles:cualquier solución de las
ecuaciones de Newton(posición de un móvil en el tiempo) es válida
tanto para tiempos positivos(trayectoria futura) como
negativos(trayectoria anterior).
Así, si la entropía puede aumentar, las leyes de la física dicen que
debería poder disminuir.Pero la experiencia dice lo contrario.Por
ejemplo, si se ve una película de una explosión nuclear al revés, se
sabe que es falso.Como regla, las cosas van en una dirección y no en
la otra.La entropía aumenta.
Boltzmann se dio cuenta de que la
segunda ley – la entropía nunca disminuye – no es una ley en el mismo
sentido que la ley gravitatoria de Newton o la ley de inducción de
Faraday.Es una ley probabilística , así que sus verdades también lo
son ; si lanzas una moneda un millón de veces, no obtendrás un millón
de caras.No pasará.¿Pero es posible?.Sí, lo es; no viola ninguna ley
física.¿Es probable?.De ninguna manera.La formulación de Boltzmann de
la segunda ley fue muy similar.En lugar de decir que la entropía no
disminuye, dijo que probablemente (la entropía) no disminuye.Pero si
esperas en un medio cerrado durante suficiente tiempo, podrías ver
disminuir la entropía: de este modo, partículas y polvo podrían
ensamblarse, por ellos mismos, en una bomba perfecta.¿Cuánto tiempo
necesitarían para que esto sucediera?.De acuerdo a los principios de
Boltzmann, la exponencial de la entropía creada cuando la bomba
explota.Un tiempo muy grande, mucho más grande que el necesario para
sacar un millón de caras seguidas en el lanzamiento de una moneda.
Ahora daré un ejemplo sencillo para
ver cómo es posible que las cosas sean más probables de un modo que de
otro,siendo ambos posibles.Imagine una alta colina en pico puntiagudo.
Ahora imagine una pelota (de jugar a los bolos) en equilibrio en lo
alto de la colina.Se levanta una pequeña brisa.La pelota rueda hasta
la base de la colina y la coge.Hagámoslo al revés: la pelota deja sus
manos, sube la colina y, con suma delicadeza, llega a la cima y se
para.¿Es posible?.Sí.¿Es probable?.No.Se tendría que tener una
precisión casi perfecta para que eso sucediera.Lo mismo pasa con la
bomba.Si pudiera revertirse cada átomo y partícula con suficiente
exactitud, podría conseguirse que se ensamblaran ellos mismos.Pero una
pequeña inexactitud en el movimiento de una sola partícula, y todo lo
que se obtendría es más basura.
Aquí otro ejemplo: echar un poco de
tinta negra en un tubo de agua.La tinta se extiende y el agua se
vuelve gris.¿Podría un tubo de agua gris aclarase , produciendo una
pequeña gota de tinta?.No es imposible, pero es muy improbable.
Boltzmann fue el primero en entender
el fundamento estadístico de la segunda ley, pero también el primero
en entender la insuficiencia de su propia formulación.Supongamos que
llega a nuestras manos un tubo llenado hace millones y millones de
años y que no ha sido perturbado desde entonces.Extrañamente, tiene
localizada una nube de tinta.Lo primero que puede preguntarse es que
qué será lo próximo que pase.La respuesta es que la tinta, casi con
toda seguridad, se extenderá más.Pero del mismo modo, si se pregunta
qué era lo más probable un momento antes, la respuesta es la misma:era
más probable que estuviese más extendida que ahora.La explicación más
probable sería que la mancha de tinta está justo en una fluctuación
momentánea.
No pienso que debamos llegar a esa
conclusión.Una explicación más razonable es que por razones
desconocidas, el tubo comenzó, no hace tanto, con una gota concentrada
de tinta , la cual se propagaría.Entender el modo en que se combinan
la gota y el agua, se reduce así a un problema de “condiciones
iniciales”:cuál es la concentración de tinta al inicio.
El agua y la tinta es una analogía
para la cuestión de por qué la entropía aumenta.Aumenta porque lo más
probable es que aumente.Pero las ecuaciones dicen que es también más
probable que aumente hacia el pasado.Para entender por qué tenemos
este sentido de dirección,debemos preguntarnos como Boltzmann:¿Por qué
la entropía era pequeña al principio?.¿Qué creó el universo en ese
modo especial de baja entropía?.Esta pregunta cosmológica es todavía
muy incierta.
Empecé hablando de mi explicación
favorita y terminé hablando de mi problema favorito irresoluto.Pido
disculpas por no seguir las instrucciones.Pero esa es la forma de las
buenas explicaciones.Cuanto mejores son, más preguntas suscitan.