Lamartine llora, con los románticos—¿quién no es romántico en esta gran centuria?—el fugit irreparabile tempus, mientras Carnot y Clausius ponen, con su termodinámica, también en el tiempo la regla más general de la naturaleza (Machado)
Un hecho básico de la experiencia es que existen procesos que, una vez acontecidos, no se revierten “espontáneamente”. Agitamos una botella de agua y la dejamos tranquila sobre la mesa.
En ausencia de cualquier intervención externa sobre la botella, el movimiento del líquido inicialmente presente irá atenuándose hasta desaparecer finalmente. La experiencia nos dice, sin embargo, que ese líquido ya en reposo no volverá, por mucho que esperemos, a ponerse en movimiento “por sí mismo”, es decir, sin alguna acción externa sobre él. Si el agua de la botella está más fría que la mesa inicialmente, con el paso del tiempo el agua se calentará algo y la mesa se enfriará algo, hasta que ambas, botella y mesa, alcancen la misma temperatura. De nuevo, partiendo de esta situación final de igualdad de temperaturas, la experiencia nos dice que es imposible que, “espontáneamente”, el agua se vuelva a enfriar y la mesa a calentar, recobrando sus estados iniciales. Una tercera clase de procesos irreversibles son los de mezcla o difusión: si tenemos dos gases diferentes en sendas botellas unidas entre sí mediante una válvula, la apertura de ésta hará que los dos gases se mezclen y que en el estado final haya en ambas botellas una mezcla de los dos. Pero, partiendo de este estado mezclado, nadie en su sano juicio esperará que cada uno de los dos gases, espontáneamente, vuelva a su botella respectiva, restaurando la situación inicial de separación de ambos.
Procesos como los recién descritos, de atenuación-desaparición de los gradientes de movimiento, de temperatura, de concentración, y a los que cabría añadir las reacciones químicas, son ejemplos de lo que en Física se llama procesos irreversibles. Si nos fijamos, dado que la mayoría de los procesos naturales conllevan en mayor o menor medida la presencia de ellos, habremos de concluir que, si no todos, sí la mayoría de los procesos naturales son irreversibles.
Lo esencial de un proceso irreversible, sin embargo, no es que no pueda restaurarse el estado de partida del sistema que realizó el proceso, sino que no puede hacérselo sin determinado “coste ambiental” neto. En los ejemplos anteriores siempre es posible hacer retornar al sistema a sus condiciones iniciales: se puede volver a agitar el agua, se puede enfriar la botella, e incluso una mezcla de gases (con dificultad, eso sí) puede ser separada en sus componentes mediante centrífugas, membranas semipermeables, destilación… El estado de partida del sistema es restaurable, sí, pero para ello el entorno del sistema ha de “invertir” un esfuerzo (en forma de calor o de trabajo) diferente en magnitud del que “obtuvo” en el proceso directo; el sistema puede realizar un ciclo (volver a estar como empezó), pero si éste es irreversible, el entorno del sistema no realizará nunca un ciclo, sino que habrá de “pagar un precio” neto. Esto es lo esencial en la noción física de irreversibilidad, y a ello hacían referencia las cautelas de las expresiones “espontáneamente” o “intervención externa” empleadas arriba al presentar los ejemplos.
Esta caracterización de la irreversibilidad es debida a Planck. Son muchas las consecuencias que puede extraerse de ella: técnicas, teóricas, cosmológicas… algunas (aparentemente) paradójicas. Aún hoy, «tras más de 150 años, no existe una teoría microscópica convincente, aceptada generalmente, para explicar los mecanismos de la irreversibilidad» (Physics Letters A 534 (2025) 130227). Vamos a comentar alguna de esas consecuencias del concepto, y sus dificultades.
Se sigue inmediatamente de la noción de irreversibilidad que, si existen procesos irreversibles, hay historia. Un sistema que sólo realiza procesos cíclicos no tiene, propiamente, historia: cualquiera de sus condiciones es tanto pasada como futura, y su estado inicial es el mismo que el final: en él, “no ha pasado nada”. La Física admite que pueda haber tales sistemas, pero a condición de que otros, que interactúan con él, no realicen un ciclo: si existe la irreversibilidad, es imposible que un sistema junto con su entorno realice un proceso cíclico. Aunque un sistema concreto haya realizado un ciclo (y, por tanto, para él “no haya pasado nada”), ha dejado su huella en otros sistemas de su entorno: el universo (si admitimos por un momento un sistema tal) no realiza procesos cíclicos. Esta consideración, de alcance ontológico, desautoriza todas las mitologías del eterno retorno que en la historia han sido, desde babilonios, persas y caldeos hasta Nietzsche (tiene también, obviamente, consecuencias ecológicas, en las que no entramos ahora). Metafóricamente—y bajo esta condición: poder considerar un universo con procesos irreversibles—se habla de la “flecha del tiempo” para referirse a esta unidireccionalidad del acontecer, consecuencia de la irreversibilidad. Dado que, en cierto marco, la irreversibilidad de un proceso puede cuantificarse (mediante el concepto de “entropía generada”), tiempo y entropía generada estarían en relación monótona uno con la otra, de modo que la generación de entropía podría emplearse como medida natural del tiempo (Mach, Prigogine).
La introducción del concepto de irreversibilidad se ha hecho arriba de manera cualitativa, sin recurrir a la función que la Física destiló a mediados del siglo XIX para cuantificarla a partir de la Segunda Ley de la Termodinámica: la entropía y su constelación de nociones adláteres. Mantenemos aquí la discusión en ese plano cualitativo, sin que ello impida tratar la esencia de los puntos problemáticos.
Sorprendentemente, la noción de irreversibilidad de los procesos naturales ha dado lugar a toda una serie de “paradojas” o “problemas”: de naturaleza macroscópica unos (biológicos, cosmológicos), y de naturaleza microscópica otros (de compatibilidad con las leyes fundamentales del micromundo, consideradas “fundamentales”). Ambos tipos de problemas acaban siendo también problemas epistemológicos. Comencemos esta pequeña discusión por los primeros, los que no requieren de consideraciones microscópicas.
Si, como se ha discutido, está en la esencia de los procesos irreversibles la tendencia a la uniformización, a la desaparición espontánea de las diferencias—sean éstas de temperatura, de movimiento, o de concentración—, un sistema aislado de su entorno (un sistema que no interactúa con nadie) evolucionará hacia una condición de homogeneidad y uniformidad de todas esas propiedades; y, una vez alcanzada esta condición, ningún proceso que implique la aparición de diferencias será ya posible mientras el sistema esté aislado.
Durante algún tiempo procesos en los que se observa una evolución hacia la complejidad u organización, el fenómeno de la vida entre ellos, fueron considerados incompatibles con esta tendencia universal a la uniformización. ¿No caracteriza a los sistemas vivos precisamente mantener de manera estable gradientes y diferencias de propiedades? La solución a esta aparente paradoja es sencilla: los sistemas vivos y los sistemas complejos no son sistemas aislados. Si queremos mantener un sistema “organizado”, con estructuración y propiedades diferentes de un punto a otro, necesariamente ese sistema tiene que interactuar con su entorno, no puede estar aislado. Los procesos de autoorganización y de complejificación son procesos irreversibles en los que el sistema posee un mecanismo para expulsar a su entorno la entropía generada en su interior, de manera que se puede mantener en el sistema un estado estructurado más o menos estacionario. La vida “no contradice la Segunda Ley”.
La tendencia natural a la uniformización rige, pues, para todo sistema aislado. Esta sencilla conclusión, deducible teóricamente y comprobable experimentalmente, comienza a ser problemática en cuanto se la aplica a un sistema especial: el universo.
Dado que “el universo” no tiene, por definición, nada fuera de él, no interactúa nunca con nadie: es un sistema aislado, el sistema aislado por antonomasia. De acuerdo con lo anterior, su evolución debe ser una tendente a hacer desaparecer las diferencias, hasta que alcance un estado de uniformidad total, momento a partir del cual ya nada será posible. Esta sombría predicción ha pasado a conocerse como el estado de “muerte térmica” del universo, idea que, enunciada ya por Thomson, Helmholtz y Clausius a mediados del siglo XIX, no nos ha abandonado desde entonces. Eminencias del siglo XX como Freeman Dyson han avanzado especulaciones para esquivar esta inquietante conclusión, y el escritor Isaac Asimov le dedicó un relato (“La última pregunta”), «de lejos, mi favorito de todos los que he escrito», según su propia confesión…
Pero esta evolución hacia una “muerte térmica” plantea inmediatamente dos problemas. El primero de ellos es el de la finitud o infinitud del tiempo pasado. Si el universo ha existido desde un pasado infinito, ¿cómo es que el estado de uniformidad no se ha alcanzado aún? ¡Si ha habido tiempo suficiente (infinito) para ello! «El éter, ¿con qué apacienta a los astros? Pues el tiempo pasado, la infinita sucesión de los días, deberían ya haber consumido todo lo que existe» (Lucrecio). Puesto que, a partir de un determinado momento histórico, el creacionismo pasa a ser finitista, toda una tradición antigua y medieval de defensa del deísmo a través de la crítica de las paradojas del infinito (Filopono, Al-Ghazali, San Buenaventura…) cuenta ahora con un nuevo argumento, el “argumento entropológico de la existencia de Dios” (Schnippenkötter): el acto de la creación explica que el tiempo transcurrido hasta hoy sea finito… Curiosamente, ha habido también pensadores (Macrobio o Leibniz, por ejemplo) que han argumentado contra la infinitud del pasado no por no ver a su alrededor el supuesto y anodino estado final de degradación última, sino por todo lo contrario: dado que el transcurso del tiempo muestra una tendencia ininterrumpida a alcanzar la perfección en la ‘cadena del ser’, ¿por qué no hemos llegado, dado un tiempo infinito, al paraíso?…
El segundo de los problemas asociados a esta (supuestamente inescapable) tendencia uniformizadora de la evolución del Todo es el del estado inicial. O, más generalmente, incluso sin conceder la finitud del pasado, el del origen de las condiciones altamente estructuradas (diferenciadas: de “baja entropía”, decimos) en las que el universo debió encontrarse en el remotísimo pasado, si es que su evolución desde entonces ha consistido, precisamente, en atenuar diferencias… Mientras que un estado indiferenciado, “caótico”, nos parece que exige menos para ser explicado, uno altamente diferenciado u organizado reclama alguna causa bien especial para dar cuenta de su origen. Como premonitoriamente vio Engels, es fácil dar el paso para identificar esa causa con un acto de creación; el “diseño inteligente”, se dice hoy.
Estas situaciones problemáticas, o incluso paradójicas desde algún punto de vista, tienen todas ellas carácter cosmológico. Además de la Termodinámica, la otra ciencia del XIX que contribuye a hacer del universo un objeto físico es la espectroscopía (Fraunhofer, Kirchhoff, Lockyer), que muestra que la materia es la misma por doquier. Antes incluso, consideraciones geológicas y relativas al enfriamiento de la Tierra habían jugado ya un papel en polémicas sobre la edad de la “creación”… La inevitabilidad de las conclusiones acerca de la “muerte térmica”, la finitud del pasado o el “estado inicial” sólo será cuestionada a partir de la degradación de la Segunda Ley a una ley ‘probabilitaria’ (Boltzmann) y de la aparición de la cosmología relativista. Pero esto lo examinaremos en otra entrega.
