Olvídense de la
física cuántica y la
relatividad. Indicios de una teoría definitiva podrían surgir de un lugar inesperado.
Cuando las revoluciones surgen, sus orígenes son fortuitos , según Max Planck, son un "acto de desesperación". En 1900, el propuso la idea de que la energía viene en porciones discretas, o cuantos, simplemente porque los perfiles continuos de la física clásica no podían explicar el espectro de energía re-irradiada por un cuerpo absorbente.
Sin embargo, rara vez fue una revolución tan absoluta. Dentro de una década, las leyes de hierro fundido que habían sustentado la física desde los tiempos de Newton fueron barridos.La certeza clásica cedió su administración de la realidad a la regla probabilística de la mecánica cuántica, así como la revolución paralela de la relatividad de Einstein desplazó nuestras nociones acariciadas del espacio y tiempo. Este fue un cambio de régimen completo.
Excepto por una cosa. Una reliquia única del viejo orden se mantuvo, una que ni Planck ni Einstein ni ninguno de sus contemporáneos tuvieron la voluntad o los medios para eliminarla. El astrofísico británico Arthur Eddington resumió la situación en 1915. "Si su teoría se encuentra que está en contra de la
segunda ley de la termodinámica no puedo darle ninguna esperanza, no hay nada que hacer más que colapsar en la más profunda humillación", escribió.
desde sus origenes en el diseño de la máquina de vapor ,la influencia de la segunda ley de la termodinámica se ha incrementado en los últimos 200 años.Crédito.Newscientist.
En este artículo, se va a explorar la fascinante pregunta de por qué, desde sus orígenes en el siglo 19, las leyes de la termodinámica han demostrado ser tan formidablemente robustas. El viaje recorre las profundas conexiones que fueron descubiertas en el siglo 20 entre la termodinámica y la
teoría de la información - las conexiones que nos permiten trazar vínculos íntimos no solo entre la termodinámica y la teoría cuántica, sino también, más especulativamente, con la relatividad. Por último, se va a argumentar, que esos vínculos nos muestran cómo la termodinámica en el siglo 21 nos puede guiar hacia una teoría que sustituirá a las dos.
En sus orígenes, la termodinámica es una teoría sobre el calor: cómo fluye y lo que se puede hacer con él(ver el diagrama). El ingeniero francés Sadi Carnot formuló la segunda ley en 1824 para caracterizar el hecho trivial de que las máquinas de vapor en aquel entonces impulsando la revolución industrial nunca podrían ser perfectamente eficientes. Una parte del calor que se bombea en ellas siempre desembocaba en el entorno más fresco, en lugar de quedarse en el motor para realizar
trabajo útil. Esa es una expresión de una regla más general: a menos que se haga algo para detenerlo, el calor fluirá naturalmente desde un lugar más caliente a un lugar más frío para igualar las diferencias de temperatura que encuentra.
Unas décadas después de Carnot, el físico alemán Rudolf Clausius explicó este fenómenos en términos de una cantidad que caracteriza el desorden la que llamó
entropía. En esta imagen, el universo funciona sobre la base de los procesos que aumentan la entropía - por ejemplo disipando el calor de los lugares en donde se concentra, (y por lo tanto estás más ordenado), a zonas más frías, donde no lo está.Esto predice un destino sombrío para el propio universo. Una vez que todo el calor se disipe al máximo, ningún proceso útil podría suceder más en él: sucede la "
muerte térmica". Una pregunta desconcertante tambien se eleva en el otro extremo de la historia cósmica. Si la naturaleza siempre favorece a los estados de alta entropía, cómo y por qué el universo comienzó en un estado que parece haber sido relativamente bajo de entropía? En la actualidad no tenemos ninguna respuesta, y luego se va a mencionar una visión alternativa interesante.
Tal vez debido a estas consecuencias no deseadas, la legitimidad de la segunda ley fue durante mucho tiempo puesta en duda. La carga fue formulada con la claridad más sorprendente por el físico británico James Clerk Maxwell en 1867. Él estaba convencido de que la materia inanimada no presentaba ninguna dificultad para la segunda ley. En un sistema aislado, el calor siempre pasa desde el punto más caliente al más frío, y un grupo ordenado de moléculas de colorante se disuelve fácilmente en agua y se dispersa aleatoriamente, nunca a la inversa. El desorden representado por la entropía siempre aumenta.
El problema de Maxwell era con la vida. Los seres vivos tienen "intencionalidad": ellos deliberadamente hacen cosas que hacen la vida más fácil para ellos mismos. Posiblemente, ellos podrían tratar de reducir la entropía de su entorno y con ello violar la segunda ley de la termodinámica.
Esta posibilidad es muy preocupante para los físicos. O algo es una ley universal o no es más que una tapadera para algo más profundo. Sin embargo, fue sólo a finales de 1970 que el
demonio jugetón de entropía fue sepultado. Su asesino fue el físico estadounidense Charles Bennett, quien se basó en el trabajo de su colega en IBM, Rolf Landauer, utilizando la teoría de la información desarrollada unas décadas antes por Claude Shannon (ver
aquí y
aquí). Un ser inteligente sin duda puede reorganizar las cosas para disminuir la entropía de su entorno. Pero para hacer esto, primero debe llenar su memoria, obtener información sobre cómo las cosas se ordenan en primer término.
Esta información adquirida debe ser codificada en algún lugar, probablemente en la memoria del demonio. Cuando esta memoria está finalmente llena, se acaba o expira,por lo que se debe restablecer.
Al arrojar toda esta información ordenada y almacenada de nuevo al medio ambiente incrementando la entropía - y este aumento de entropía, Bennett mostró, en última instancia, será siempre al menos tan grande como la reducción de la entropía que el demonio originalmente alcanzó. Así, el estado de la segunda ley estaba asegurado, aunque anclado en una
mantra de Landauer que habría sido incomprensible para los progenitores de la termodinámica del siglo 19: que "la información es física".
Pero, ¿cómo esto explica que la termodinámica sobrevivió a la revolución cuántica? Los objetos clásicos se comportan de manera muy diferente a los cuánticos, por lo que lo mismo es probablemente cierto de la información clásica y cuántica. Después de todo, los ordenadores cuánticos son notoriamente más poderosos que los clásicos.
La razón es sutil, y se encuentra en una relación entre la entropía y la probabilidad contenida en tal vez la fórmula más profunda y bella de toda la ciencia. Grabada en la tumba del físico austriaco Ludwig Boltzmann en el cementerio central de Viena, se lee simplemente S = k log W Aquí S es la entropía - la entropía macroscópica, medible por ejemplo de un gas, - y k es una constante de la naturaleza que hoy lleva el nombre de Boltzmann. Log W es el logaritmo matemático de una microscópica y probabilística cantidad, W - en un gas, la cual sería el número de formas de las posiciones y velocidades en que sus muchos átomos individuales se pueden ordenar.
A nivel filosófico, la fórmula de Boltzmann representa el espíritu de reduccionismo: la idea de que podemos, al menos en principio, reducir nuestro conocimiento exterior de las actividades de un sistema a básicas leyes físicas microscópicas. En un nivel práctico, físico, nos dice que todo lo que necesitamos para entender el desorden y su aumento son las probabilidades. Sumar el número de configuraciones de los átomos de un sistema puede estar en resolver sus probabilidades, y lo que emerge no es otra cosa que la entropía la cual determina su comportamiento termodinámico. La ecuación no plantea preguntas acerca de la naturaleza de las leyes fundamentales, no nos importa si los procesos dinámicos que crean las probabilidades son clásicos o cuánticos en origen.
Hay un punto importante adicional que debe mencionarse aquí. Las probabilidades son cosas fundamentalmente diferentes en la física clásica y cuántica. En la física clásica son cantidades"subjetivas" que cambian constantemente cuando nuestro estado de conocimientos cambia. La probabilidad de que una moneda arrojada al aire dará lugar a cara o cruz, por ejemplo, varía desde ½ a 1 cuando se observa el resultado. Si hubiera un ser que conozca todas las posiciones y cantidades de movimiento de todas las partículas del universo – (conocido como un "
demonio de Laplace", después de que el matemático francés Pierre-Simon Laplace, fuera el primero en respaldar la posibilidad )- sería capaz de determinar el curso de todos los acontecimientos posteriores en un universo clásico, y no tendría necesidad de las probabilidades para describirlos.
En la física cuántica, sin embargo, las probabilidades surgen de una verdadera incertidumbre acerca de cómo funciona el mundo.Los estados de los sistemas físicos de la teoría cuántica son representados en lo que el pionero de la teoría cuántica Erwin Schrödinger llamó catálogos de información, pero ellos son catálogos en los que la adición de información en una página la borra o restrega a ella hacia fuera sobre otra. Conocer la posición de una partícula más precisamente significa saber menos bien cómo se está moviendo, por ejemplo. Las probabilidades cuánticas son "objetivas", en el sentido de que no pueden ser totalmente eliminadas mediante la obtención de más información.
Esto arroja una intrigante luz a la termodinámica como original y clásicamente se formuló. Allí, la segunda ley no es más que una impotencia escrita en la forma de una ecuación. No tiene un origen profundo físico en sí, sino que es un empírico cerrojo para expresar la de otro modo inexplicable realidad que no podemos conocer, predice o presenta todo lo que puede ocurrir, como las leyes de la dinámica clásica sugieren que podemos. Pero esto cambia tan pronto como usted mete a la física cuántica en el cuadro, con su noción de que la incertidumbre está aparentemente conectada en el tejido de la realidad. Arraigadas en las probabilidades, la entropía y la termodinámica adquieren un nuevo y más fundamental anclaje físico.
Cabe señalar, también, que esta relación profundamente arraigada, parece ser mucho más general. Recientemente, Vlatko Vedral y Markus Müller del Instituto Perimeter de Física Teórica en Waterloo, Ontario, Canadá, junto a Oscar Dahlsten del Centro Quantum Technologies en Singapur, han visto lo que sucede con las relaciones termodinámicas en una clase generalizada de teorías probabilísticas que abarca a la teoría cuántica y muchas más. Allí también, la relación fundamental entre la información y el desorden, como se cuantifica por la entropía, sobrevive (ver
aquï).
En cuanto a la gravedad - (la única de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza que no está cubierta por la teoría cuántica )- un más especulativo grupo de investigación sugiere que podría ser poco más que la entropía encubierta. Si es así, también traería a la teoría general de la relatividad de Einstein, con la que actualmente describimos la gravedad, firmemente dentro del alcance de la termodinámica.
Tome todo esto junto, y comenzamos a tener una idea de lo que hace a la termodinámica tan éxitosa. Los principios de la termodinámica se encuentran en sus raíces que tienen que ver con la teoría de la información. La teoría de la información no es más que una forma de expresión de la forma en que interactuamos con el universo - entre otras cosas, construye teorías para mejorar nuestra comprensión del mismo. La termodinámica es, en términos de Einstein, una "meta-teoría": construida a partir de los principios por encima de la estructura de cualquier ley dinámica que diseñemos para describir el funcionamiento de la realidad. En ese sentido, se puede argumentar que es más fundamental que la física cuántica o la relatividad general.
Si podemos aceptar esto y, como Eddington y otros, poner toda nuestra confianza en las leyes de la termodinámica, ello incluso nos puede dar un vistazo más allá del orden físico actual. Parece poco probable que la física cuántica y la relatividad representen las últimas revoluciones de la física. Nuevas pruebas podrían en cualquier momento fomentar su derrocamiento. La termodinámica podría ayudarnos a discernir a cualquier parecida teoría usurpadora .
Por ejemplo, a principios de este año, Esther Hänggi y Stephanie Wehner, mostraron que una violación del principio de incertidumbre cuántica - la idea de que usted nunca puede deshacerse de las probabilidades en un contexto cuántico - implicaría una violación de la segunda ley de la termodinámica. Vencer al límite de incertidumbre significa extraer información adicional sobre el sistema, lo que requiere que el sistema haga más trabajo que la termodinámica permite hacer en el correspondiente estado de desorden. Así que si la termodinámica es una guía, todo lo que un mundo post-cuántico podría lucir, nos dejaría con un grado de incertidumbre. (ver
aquí).
El físico de la Universidad de Oxford David Deutsch, piensa que hay que llevar las cosas mucho más lejos. No sólo cualquier física futura se debería ajustar a la termodinámica, sino que toda la física se debería construir en su imagen. La idea es generalizar la lógica de la segunda ley tal como fue formulada rigurosamente por el matemático Constantin Carathéodory en 1909 (ver
aquí): que en las proximidades de cualquier estado de un sistema físico, hay otros estados que físicamente no pueden ser alcanzados si prohibimos cualquier intercambio de calor con el medio ambiente.
Los experimentos en el siglo 19 de James Joule con la cerveza se pueden utilizar para ilustrar esta idea. El cervecero Inglés, cuyo nombre perdura en la unidad estándar de la energía, selló la cerveza en una tina térmicamente aislada que contenía una rueda de paletas que se conectaban a pesos que caian bajo la acción de la gravedad. La rotación de la rueda calentaba la cerveza, aumentando el desorden de sus moléculas y por lo tanto su entropía. Pero por más que se intente, simplemente no se puede utilizar el sistema de Joule para disminuir la temperatura de la cerveza, ni siquiera por una fracción de un millikelvin.El enfriador de cerveza es, en este ejemplo,un estado lamentablemente más allá del alcance de la física.
La cuestión es si podemos expresar la totalidad de la física simplemente enumerando posibles e imposibles procesos en una situación dada. Esto es muy diferente de la forma como la física es normalmente expresada, tanto en los regímenes clásico y cuántico, en términos de los estados de los sistemas y las ecuaciones que describen cómo estos estados cambian en el tiempo. Los callejones sin salida por donde el enfoque estándar puede conducir son los más fáciles de entender en la física clásica, donde las ecuaciones dinámicas que se derivan permiten toda una serie de procesos que evidentemente no ocurren - tenemos que evocar las leyes de la termodinámica expresamente para prohibir ejemplos tales como moléculas de colorante reagrupándose espontáneamente en el agua.
Invirtiendo la lógica, nuestras observaciones del mundo natural pueden volver a llevar la iniciativa en la obtención de nuestras teorías. Observamos las prohibiciones que la naturaleza pone en su lugar, ya sea en la disminución de la entropía, obteniendo energía de la nada, viajando más rápido que la luz, o lo que sea. La última y "correcta" teoría de la física - la de la lógica más ajustada - es aquella en la que la más pequeña desviación nos da algo que rompe los tabúes.
Hay otras ventajas en reconstruir la física en tales términos. El tiempo es un concepto perennemente problemático en las teorías físicas. En la teoría cuántica, por ejemplo, el entra como un parámetro extraño de origen desconocido que no puede ser cuantificado. En la termodinámica, por su parte, el
paso del tiempo es el aumento de la entropía . Un proceso tal como moléculas disueltas de colorante aglomerándose ofende nuestra sensibilidad, ya que parece equivaler a correr el tiempo hacia atrás tanto como cualquier otra cosa, aunque la verdadera objeción es que disminuye la entropía.
Al aplicar esta lógica más general, el tiempo deja de existir como una entidad independiente, fundamental, pero cuya corriente se determina únicamente en términos de procesos permitidos y rechazados. Con él van problemas como el aludido antes, de por qué el universo empezó en un estado de baja entropía. Si los estados y su evolución dinámica en el tiempo dejaran de ser la pregunta, entonces cualquier cosa que no rompa cualquier regla de transformación se convierte en una respuesta válida.
Este enfoque probablemente complacería a Einstein, quien una vez dijo: ". Lo que realmente me interesa es si Dios tuvo alguna elección en la creación del mundo" Una formulación termodinámicamente inspirada de la física no puede responder a esta pregunta directamente, pero deja a Dios sin otra opción más que ser un termodinámico. Eso sería un premio singular para aquellos maestros del siglo 19 del vapor de agua: que se toparon con la esencia del universo, totalmente por accidente. El triunfo de la termodinámica sería entonces una revolución a escondidas , a 200 años de su creación.
Si bien la termodinámica parece flotar sobre el contenido preciso del mundo físico que describe, ya sea clásico, cuántico o post-cuántico, su conexión con el otro pilar de la física moderna, la relatividad general, puede ser más directa. La relatividad general describe la fuerza de la gravedad. En 1995, Ted Jacobson de la Universidad de Maryland en College Park afirmó que la gravedad podría ser una consecuencia del desorden, cuantificado por la entropía (ver
aquí).
Su argumento matemático es sorprendentemente simple, pero se apoya en dos relaciones teóricas en disputa. La primera fue argumentada por Jacob Bekenstein en la década de 1970, quien examinaba el destino de la información de un cuerpo tragado por un agujero negro (ver
aquí,
aquí y
aquí). Este es un reto desnudo para la validez universal de la termodinámica: cualquier aumento en el desorden en el cosmos podría ser revertido tras lanzar al sistema afectado en un
agujero negro.
Bekenstein mostró que esto sería contrarrestado si el agujero negro simplemente creciera en área en proporción a la entropía del cuerpo que estaba tragándose.Entonces, cada pequeña parte de su superficie se correspondería con un bit de información que todavía cuenta en el libro mayor del universo. Esta relación desde entonces ha sido elevada a la categoría de un principio, el
principio holográfico, que se apoya en una serie de otras ideas teóricas - pero no todavía por ningún experimento.
La segunda relación es la sugerencia de Paul Davies y William Unruh, también por primera vez en la década de 1970, de que un cuerpo acelerado irradia pequeñas cantidades de calor(ver
aquí,
aquí,
aquí y
aquí). Un termómetro agitado en torno a un vacío perfecto, donde no hay átomos en movimiento que nos puede proporcionar una concepción normal de su temperatura, grabaría una temperatura distinta de cero. Esta es una idea atractiva pero contraria al sentido común, ya que aceleraciones más allá de las que actualmente se pueden lograr son necesarias para generar radiación suficiente para probar experimentalmente esta idea.
Ponga estas dos relaciones especulativas junto con las conexiones estándar, indiscutibles entre la entropía, la temperatura, la energía cinética y la velocidad, y es posible construir una cantidad que matemáticamente se parece a la gravedad, pero que se define en términos de la entropía. Otros ya han sido tentados por la misma ruta, el más reciente Erik Verlinde de la Universidad de Amsterdam en los Países Bajos (ver
aquí).Estas teorías, que son de ningún modo universalmente aceptadas, sugieren que cuando los cuerpos caen no es por el efecto de una fuerza separada fundamental llamada gravedad, sino porque el calentamiento que se produce responde mejor a los dictados termodinámicos de que la entropía del universo siempre aumenta.
artículo del físico Vlatko Vedral para Newscientist.
fuente de la información:
http://www.newscientist.com/article/mg21628861.700-the-surprise-theory-of-everything.html?cmpid=NLC|NSNS|2012-1510-GLOBAL|mg21628861.700&utm_medium=NLC&utm_source=NSNS&utm_content=mg21628861.700
