Читать книгу Una breu i atzarosa història de la vida - Joan Anton Català Amigó - Страница 18

El segle XIX va ser gloriós per a una part de la ciència que anomenem termodinàmica, que bàsicament estudia els processos físics i químics implicats amb la calor i l’energia.⁵

Entre els grans noms que destaquen d’aquella època, es troba un físic i enginyer francès de nom Sadi Carnot. Preocupat per entendre com maximitzar l’eficiència de les recentment inventades màquines de vapor, Carnot va fer una troballa que marcaria el desenvolupament de la termodinàmica. En concret, va veure que qualsevol màquina, per perfecta que fos, patia una pèrdua de calor durant el seu funcionament. Es podia dissenyar la màquina de forma que reduís aquesta pèrdua, però mai fins a eliminar-la del tot. Aquesta calor perduda es dissipava a l’aire, i, potser el més important de la troballa, aquest fet no era reversible. És a dir, no hi havia forma natural, espontània, que el procés de pèrdua de calor es produís en sentit contrari. En altres paraules, un cop perduda, la calor (que significa, en el fons, energia malbaratada) ja no es podia recuperar.

L’any 1850, un altre científic francès, Émile Clapeyron, analitzant aquestes pèrdues de calor, va fer un segon pas fonamental, en elevar al rang de llei de la natura un fet aparentment sense més transcendència i amb el qual convivim des que arribem a aquest món: sempre, absolutament sempre, en un sistema aïllat i sense més intervenció externa, la transferència de calor es produeix des del cos més calent cap al més fred. Durant el procés, el primer es va refredant alhora que el segon s’escalfa, i la transferència s’atura quan tots dos cossos queden exactament a la mateixa temperatura.

Potser ara mateix t’estàs preguntant a què condueix aquesta descoberta, que avui ens sembla tan natural i simple. Com de vegades passa amb la ciència, troballes que semblen insignificants acaben generant una veritable revolució del pensament.

La part que més ens interessa notar en aquest llibre del que va trobar Clapeyron és que aquest flux de calor és sempre unidireccional. De forma natural, mai s’ha observat el funcionament en sentit contrari, és a dir, que un objecte fred cedeixi calor a un de calent per refredar-se encara més.⁶

En aquells moments, Clapeyron va definir una nova entitat física, que va anomenar entropia. L’entropia era el sumatori total de cada transferència de calor, dividida per la temperatura, produïda al llarg d’un procés. I llavors va postular que, en un sistema aïllat, els processos evolucionen sempre de manera que l’entropia creix (és una manera més elegant d’explicar el que deia Carnot sobre la pèrdua de calor en una màquina, i també equival exactament a afirmar que la transferència de calor progressa sempre des del cos més calent al més fred).⁷

La formulació de l’augment de l’entropia es coneix com el segon principi de la termodinàmica, una de les lleis aparentment inviolables de la natura, segurament una de les més importants que tenim. La natura tendeix sempre a fer créixer l’entropia.

Per seguir avançant en la comprensió de la transcendència del que estem dient, necessitem emprar la imaginació com si fos un potentíssim microscopi que ens permeti observar la natura a petita escala, tal com va fer un importantíssim físic austríac, de nom Ludwig Boltzmann. Armats amb aquest poderós instrument, inspeccionarem el que està passant quan els dos objectes, calent i fred, es posen en contacte.

Si enfoquem la ment sobre el cos més calent, podrem observar miríades de partícules movent-se, agitant-se inquietes, amb espasmes aleatoris. Allò que sembla sòlid es converteix, sota l’augment del microscopi imaginari, en un immens conjunt d’àtoms i molècules vibrant, desplaçant-se i xocant entre elles. Si ara ens centrem en l’objecte més fred, notarem de seguida la diferència. També certifiquem l’existència d’una realitat microscòpica complexa, tumultuosa i aleatòria. Però en aquest cas, i a diferència de la visió anterior, els àtoms que observarem es mouen de forma molt més lenta.

La realitat és que les partícules constituents de la matèria estan sempre en moviment, en trajectòries aleatòries impossibles de preveure de manera individual i que tan sols poden ser estudiades estadísticament. Llavors, allò que anomenem temperatura no és més que una mesura del moviment mitjà de les partícules d’un objecte. Com més calent està l’objecte, més ràpid s’agiten els seus components microscòpics.⁸

Ara ens és més senzill entendre el segon principi de la termodinàmica. Les partícules de l’objecte més calent es mouen amb més rapidesa i xoquen amb els àtoms del cos fred, transferint-los part de l’energia de moviment, és a dir, escalfant-los. Quan els moviments dels grups de partícules s’igualin, el sistema haurà assolit el que anomenem equilibri tèrmic, exactament la mateixa temperatura.

El genial Boltzmann ens va obrir els ulls a una realitat microscòpica formada per batibulls de partícules en moviment constant, un embolic tan important que és una ximpleria seguir el comportament individual d’una sola de les partícules, simplement perquè aquest comportament és irrellevant des del punt de vista de les propietats globals de l’objecte i, a més, perquè seria extraordinàriament complicat fer-ho. En canvi, Boltzmann ens ensenya que podem derivar propietats i comportaments de la matèria partint d’una anàlisi estadística dels seus constituents.

Amb la seva ment estadística, Boltzmann va demostrar que el concepte d’entropia de Clapeyron representava, en realitat, el nombre de vegades que es poden reordenar els components microscòpics d’un sistema sense que ho puguem distingir. Aquesta reformulació del segon principi de la termodinàmica ja no només parla de la pèrdua d’energia de Carnot, o de la transferència de calor de Clapeyron, sinó, ni més ni menys, que de l’ordre (o, més ben dit, del desordre) a la natura: de com podem reordenar els àtoms d’un sistema i obtenir un altre sistema absolutament equivalent i indistingible del primer. Així, d’un sistema en què puguem moure els components microscòpics de moltes maneres sense que el conjunt variï en direm que té una gran entropia. I, si ens hi fixem, des d’aquesta perspectiva hi ha ben poca diferència entre dir «gran entropia» o «gran desordre».

Ens hem d’aturar un moment en aquest punt, ja que és trencador, i, com veurem de seguida, la causa final que existeixi un temps que va endavant i, per tant, de la nostra pròpia existència. El segon principi de la termodinàmica, emprant aquesta entropia que equival al nivell de desordre, i conservant l’enunciat original que deia que l’entropia sempre creix, es converteix en una afirmació brutal, que estableix que la natura tendeix sempre a la màxima entropia, és a dir al màxim desordre!⁹

Amb aquest coneixement, retornem per un instant als dos objectes en contacte, un calent i l’altre fred. Inicialment, just abans del contacte, quan observem amb el nostre microscopi mental els seus àtoms en moviment, atribuirem al conjunt una qualificació d’ordenat. En definitiva, les partícules que es mouen a més velocitat es troben totes concentrades en l’objecte calent, posem per cas el situat a la dreta, i les més lentes a l’esquerra en el fred.¹⁰ Però a penes una estona després del contacte, el sistema s’haurà començat a desordenar, amb àtoms que comencen a moure’s més ràpids mesclats amb altres més lents arreu, a mesura que la calor es transfereix des del cos calent cap al fred. Finalment, assolit l’equilibri tèrmic, i ja sense flux de calor, no podrem distingir on eren originàriament els àtoms ràpids i els lents. És més, podrem agafar imaginàriament¹¹ un àtom qualsevol i moure’l de posició sense que ningú ho pugui notar, perquè tots seran equivalents. Podrem fer un immens nombre de moviments, de reordenacions, sense que en realitat canviï res. És a dir, haurem assolit un estat de gran entropia. De gran desordre.

Clapeyron ja ens havia avisat que el mecanisme de transferència de calor havia d’avançar en una única direcció. I Boltzmann ens diu ara que aquesta direcció unívoca és la del desordre.¹²

Ja tenim fletxa del temps! Un temps que sempre avança cap al caos. La tendència del nostre univers d’augmentar el grau de desordre és el que permet el flux del temps cap endavant.

Ara, amb aquesta importantíssima deducció, podem repassar alguns dels símils que hem emprat anteriorment des de la perspectiva de l’entropia i del desordre. Així, el castell de sorra no seria més que una realitat molt més ordenada, és a dir, amb menys entropia, que quan els grans de sorra es troben dispersats per la platja (un estat de més desordre, de més entropia). L’objectiu que sembla que té la natura d’augmentar l’entropia és el que farà que el destí evolutiu d’una construcció de sorra a la platja sigui acabar en el desordre més absolut, per a frustració del jove constructor. I aquesta mateixa tendència és la que fa que el temps corri en la direcció del desordre, de la destrucció progressiva del castell. És la que li dona direcció unívoca al temps, la que ens permet parlar de passat i futur.

Estarem d’acord que el nostre cervell curtcircuitaria si veiéssim els vidres del got trencat aixecar-se espontàniament de terra i ajuntar-se per recuperar el got original. Seria un esdeveniment contra natura, que aniria del desordre a l’ordre, que disminuiria l’entropia, que violaria el segon principi de la termodinàmica. Que trencaria la causalitat. I això només ho podríem aconseguir aportant energia al sistema, fent una despesa.¹³

La reconstrucció del castell també necessitarà una despesa, una intervenció externa: les mans i l’habilitat d’un nen, que s’ocuparà de la restauració del monument a la platja. Però ara el sistema ja no estarà format només pel castell, la sorra, la platja, el sol, el vent i les onades: s’hi haurà incorporat un nen. Malgrat que, aparentment, amb la seva dedicació l’ordre de la sorra tornarà a créixer, perquè es formarà un castell, el nou sistema en conjunt (que ara inclou el nen) haurà augmentat el desordre, tal com marca l’ortodòxia termodinàmica. Aquest augment de l’entropia vindrà determinat, entre altres coses, per la despesa energètica del jove, les cèl·lules del qual consumiran nutrients per alimentar els músculs. En aquest procés metabòlic es generarà calor, i part d’aquesta calor es dissiparà a l’aire, cosa que crearà un estat clarament més desordenat que quan les seves reserves d’energia estaven contingudes dins les estructures moleculars dels sucres mentre circulaven per la sang.

Resumint, la natura, almenys tal com assenyala la comprensió que en tenim, es veu obligada a dirigir-se sempre des d’un passat cap a un futur en què l’entropia és màxima. És gràcies a aquesta mania de la natura, a la necessitat d’augmentar el desordre, el caos, que existeix un temps que sempre va endavant. Que existeix la causalitat que fa que existeixin les coses. Que fa que existim.