La flecha del tiempoThe arrow of time
1824 – 18771824 – 1877
La energía no se pierde nunca. Pero se gasta, y lo que se gasta no vuelve.Energy is never lost. But it gets spent, and what is spent does not come back.
Las leyes de Newton no distinguen el ayer del mañana. El calor sí.Newton's laws do not tell yesterday from tomorrow. Heat does.
Del vapor a la estadísticaFrom steam to statistics
En 1824 un joven ingeniero francés, Sadi Carnot, se pregunta cuánto trabajo puede sacarse de una máquina de vapor. Descubre que el límite no depende del ingenio sino de la diferencia de temperatura: el calor solo produce trabajo al pasar de lo caliente a lo frío. Muere de cólera a los 36 años, casi sin lectores.In 1824 a young French engineer, Sadi Carnot, asks how much work can be drawn from a steam engine. He finds that the limit depends not on ingenuity but on the temperature difference: heat only produces work as it passes from hot to cold. He dies of cholera at 36, with hardly any readers.
Décadas después Clausius y Kelvin convierten esa idea en ley. En 1865 Clausius bautiza entropía a la magnitud que siempre crece. En 1877 Ludwig Boltzmann la explica contando: la entropía mide de cuántas maneras pueden ordenarse los átomos sin que cambie lo que vemos.Decades later Clausius and Kelvin turn that idea into law. In 1865 Clausius names entropy the quantity that always grows. In 1877 Ludwig Boltzmann explains it by counting: entropy measures how many ways the atoms can be arranged without changing what we see.
Antes: un tiempo reversibleBefore: a reversible time
En la mecánica de Newton, si filmas un sistema y pasas la película al revés, sigue cumpliendo las leyes. El tiempo es un parámetro más, sin dirección. El calor, por su parte, se pensaba como un fluido, el calórico, que pasaba de un cuerpo a otro.In Newton's mechanics, if you film a system and run the film backwards, it still obeys the laws. Time is just another parameter, with no direction. Heat, for its part, was thought of as a fluid, caloric, flowing from one body to another.
El giro: se conserva y se degradaThe turn: conserved and degraded
Primera ley: la energía total no cambia, solo se transforma. Segunda ley: en cada transformación una parte se vuelve calor disperso, inútil para trabajar. El huevo roto no se recompone, el café no se recalienta solo. Por primera vez una ley física distingue pasado y futuro.First law: total energy does not change, it only transforms. Second law: in each transformation part of it becomes dispersed heat, useless for work. The broken egg does not reassemble, the coffee does not reheat itself. For the first time a physical law tells past from future.
Después: leyes de probabilidadAfter: laws of probability
Con Boltzmann la segunda ley deja de ser absoluta: es abrumadoramente probable, no seguro. La estadística entra al corazón de la física. Y aparece una pregunta cósmica: si todo tiende al equilibrio, el universo acabará en una «muerte térmica» sin diferencias.With Boltzmann the second law stops being absolute: it is overwhelmingly probable, not certain. Statistics enters the heart of physics. And a cosmic question appears: if everything tends to equilibrium, the universe will end in a “heat death” without differences.
Nada en el choque de dos partículas distingue el pasado del futuro. Cuando son cientos, sí.Nothing in the collision of two particles tells past from future. When there are hundreds, something does.
La taza de caféThe cup of coffee
Tu café se enfría hasta la temperatura de la cocina y nunca al revés. Ninguna ley de la mecánica lo prohíbe: el calor podría, en principio, concentrarse de nuevo en la taza. Es tan improbable que no lo verás en toda la edad del universo.Your coffee cools to the temperature of the kitchen and never the other way round. No law of mechanics forbids it: heat could, in principle, gather back into the cup. It is so improbable that you will not see it in the whole age of the universe.
La rueda de paletas de JouleJoule's paddle wheel
James Joule, cervecero de Manchester, dejaba caer pesas que hacían girar unas paletas dentro de un recipiente con agua, y medía cuánto se calentaba. Así mostró en la década de 1840 que trabajo y calor son la misma cosa con distinto nombre.James Joule, a Manchester brewer, let weights fall to turn paddles inside a vessel of water, and measured how much it warmed. In this way he showed in the 1840s that work and heat are the same thing under different names.
El demonio de MaxwellMaxwell's demon
En 1867 Maxwell imaginó un ser diminuto que abre una compuerta solo a las moléculas rápidas, separando lo caliente de lo frío sin gastar trabajo. Hizo falta un siglo para resolverlo: el demonio tiene que borrar lo que sabe de cada molécula, y borrar información cuesta energía.In 1867 Maxwell imagined a tiny being who opens a trapdoor only for fast molecules, separating hot from cold without spending work. It took a century to resolve: the demon must erase what it knows of each molecule, and erasing information costs energy.
Viena · 1876Vienna · 1876
Una flecha hecha de piezas sin flechaAn arrow made of arrowless parts
Boltzmann había deducido en 1872 que la entropía de un gas crece siempre a partir del choque de sus moléculas. Su colega Josef Loschmidt le objetó algo sencillo: si inviertes la velocidad de cada molécula, las leyes de Newton dicen que todo debe desandar el camino, y la entropía tendría que bajar.Boltzmann had derived in 1872 that the entropy of a gas always grows from the collisions of its molecules. His colleague Josef Loschmidt raised a simple objection: if you reverse the velocity of every molecule, Newton's laws say everything must retrace its path, and entropy would have to fall.
¿Cómo sale una dirección del tiempo de leyes que no la tienen? La respuesta de Boltzmann fue la estadística: los estados desordenados son muchísimos más que los ordenados. La anomalía de fondo sigue abierta hoy: ¿por qué el universo empezó tan ordenado?How does a direction of time come out of laws that have none? Boltzmann's answer was statistics: disordered states vastly outnumber ordered ones. The underlying anomaly remains open today: why did the universe begin so ordered?
La entropía no es exactamente desordenEntropy is not exactly disorder
Es el número de configuraciones microscópicas compatibles con lo que observamos. A veces eso coincide con desorden; otras no. Un aceite que se separa del agua, ordenándose a la vista, aumenta la entropía total.It is the number of microscopic arrangements compatible with what we observe. Sometimes that matches disorder; sometimes not. Oil separating from water, looking more ordered, increases total entropy.
La vida no la desobedeceLife does not disobey it
Un ser vivo construye orden dentro de sí exportando entropía afuera: come energía de calidad y devuelve calor. Schrödinger lo resumió en 1944 diciendo que el organismo se alimenta de «entropía negativa».A living being builds order inside itself by exporting entropy outside: it eats high-quality energy and gives back heat. Schrödinger summed it up in 1944 by saying the organism feeds on “negative entropy”.
No es una ley de las máquinasIt is not a law about machines
Nació estudiando calderas, pero vale para estrellas, agujeros negros, células y computadoras. Eddington la llamó la ley que ocupa la posición suprema entre las leyes de la naturaleza.It was born studying boilers, but it holds for stars, black holes, cells and computers. Eddington called it the law that holds the supreme position among the laws of nature.
La energía del mundo es constante. La entropía del mundo tiende a un máximo.The energy of the world is constant. The entropy of the world tends towards a maximum.Rudolf Clausius · memoria sobre la teoría mecánica del calor (1865)Rudolf Clausius · memoir on the mechanical theory of heat (1865)
Son las dos líneas finales del artículo donde Clausius introduce la palabra entropía, del griego tropé, «transformación». En dos frases resume las dos leyes de la termodinámica y les da escala cósmica: ya no hablan de una máquina sino del mundo entero.They are the two final lines of the paper in which Clausius introduces the word entropy, from the Greek tropé, “transformation”. In two sentences he sums up the two laws of thermodynamics and gives them cosmic scale: they no longer speak of an engine but of the whole world.
Dónde se vuelve incómodoWhere it gets uncomfortable
Los átomos de BoltzmannBoltzmann's atoms
Su explicación exigía átomos, y muchos físicos, como Mach y Ostwald, los consideraban una ficción indemostrable. Boltzmann defendió su teoría durante décadas en polémicas agotadoras. Se quitó la vida en Duino en 1906, poco antes de que los experimentos de Perrin confirmaran la existencia de los átomos.His explanation required atoms, and many physicists, such as Mach and Ostwald, considered them an unprovable fiction. Boltzmann defended his theory for decades in exhausting disputes. He took his own life at Duino in 1906, shortly before Perrin's experiments confirmed that atoms exist.
Dónde se usa hoyWhere it is used today
De la nevera al centro de datosFrom the fridge to the data centre
Cada motor, nevera y central eléctrica tiene un rendimiento máximo fijado por Carnot. La entropía también mide información: el costo energético de borrar un bit pone un piso al consumo de las computadoras. Y el calentamiento global es, en el fondo, un problema de flujos de calor.Every engine, fridge and power plant has a maximum efficiency set by Carnot. Entropy also measures information: the energy cost of erasing a bit puts a floor under computer consumption. And global warming is, at bottom, a problem of heat flows.
¿Qué hay en tu vida que no puede desandarse?What is there in your life that cannot be undone?
- ¿Cómo sabes, mirando una foto, si fue tomada antes o después?How do you know, looking at a photo, whether it was taken before or after?
- ¿Qué orden mantienes en tu casa a costa de desordenar algo fuera de ella?What order do you keep at home at the cost of disordering something outside it?
- ¿Qué cosa crees imposible cuando en realidad es solo improbable?What do you believe impossible when it is really just improbable?
- ¿Cuánta energía tuya se va en calor que no sirve para nada?How much of your energy goes into heat that is of no use?
- ¿El tiempo pasa, o somos nosotros los que nos desordenamos?Does time pass, or is it we who become disordered?
Lecturas complementariasFurther reading
- Sadi Carnot — Reflexiones sobre la potencia motriz del fuegoReflections on the Motive Power of Fire
- Arthur Eddington — La naturaleza del mundo físicoThe Nature of the Physical World
- Ilya Prigogine e Isabelle Stengers — La nueva alianzaOrder Out of Chaos
- Peter Atkins — La segunda leyThe Second Law
- Carlo Rovelli — El orden del tiempoThe Order of Time
… y en 1905 un empleado de patentes en Berna pregunta qué significa exactamente «al mismo tiempo».… and in 1905 a patent clerk in Bern asks what exactly “at the same time” means.