Resumint, la natura, almenys tal com assenyala la comprensió que en tenim, es veu obligada a dirigir-se sempre des dun passat cap a un futur en què lentropia és màxima. És gràcies a aquesta mania de la natura, a la necessitat daugmentar 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.
El petit dimoni enemic de la termodinàmica
A mitjan segle XIX, el físic escocès James Clerk Maxwell va imaginar una hipotètica manera de violar el segon principi de la termodinàmica. Ho va fer amb un experiment mental, intentant veure on el conduïa.
Imaginem una capsa dividida en dues seccions per una paret, la qual té un petit orifici que permet comunicar els dos costats del receptacle. Carreguem de gas la capsa i esperem. Segons el segon principi i lentropia, el sistema acabarà en un perfecte equilibri, amb el gas distribuït uniformement per la caixa, i les molècules movent-se totes a la mateixa velocitat.
Però ara hi situem un petit dimoni controlant el forat. Aquest malvat personatge pren decisions en funció de les molècules de gas que li arriben. Quan es troba amb una molècula un xic més ràpida que la mitjana, la deixa passar al costat esquerre. Similarment, va deixant que les molècules més fredes, és a dir, més lentes, sagrupin al costat dret. Al final, el sistema mostra just el contrari del comportament normal: un estat de més baixa entropia, de menys desordre. El diable hauria tombat el segon principi de la termodinàmica!
Lexercici serveix per adonar-se que ara el sistema inclou també el petit diable, i que per tant el còmput dentropia sha de fer incorporant-lo a les equacions. Com que no sabem com funciona entròpicament un diable, i encara menys si és nan, podem intuir que, per tal dacomplir la seva tasca, el malvat operari del forat haurà hagut de fer una despesa energètica, segurament per mesurar la velocitat de les molècules que se li apropen, i també per accionar el mecanisme dobertura de lorifici. I, per descomptat, per emmagatzemar dalguna manera (potser a la seva memòria mil·lenària o en algun dispositiu diabòlic) el coneixement sobre les velocitats que es van acumulant a una i altra banda.
La qüestió és que aquesta despesa energètica haurà fet augmentar la temperatura del sistema (capsa, gas i diable), més que compensant la reducció dentropia que genera ordenar les molècules del gas. Presentat daquesta manera, i resolt així, lexercici mental resulta senzill. Sha de dir, però, que han estat molts els científics que hi han reflexionat, intentant deduir quines propietats hauria de tenir el dimoniet per aconseguir violar el segon principi, o, més ben dit, què fa que a la natura no haguem observat mai aquesta violació.14
Per què?
Hem vist com el segon principi de la termodinàmica ens condueix directament al concepte de la fletxa del temps. I, al seu torn, lexistència duna fletxa del temps comporta una deducció immediata: per força, el passat de lunivers havia de ser més ordenat que lestat actual o que el futur. Si no fos així, el temps no avançaria, sinó que retrocediria.
En altres paraules, el Big Bang havia de ser obligadament un estat molt més ordenat, de menys entropia, que lunivers actual. És aquest fet, la diferència dentropia entre lunivers primigeni i lactual, el que obre el canal pel qual circula el flux del temps, com laigua que cau des del dipòsit superior ple cap a linferior, buit.
Perquè... què passarà quan el cosmos hagi assolit un estat de màxim desordre, de màxima entropia? Doncs en aquest estat final, dequilibri perfecte, el temps deixarà destar condicionat a fluir en un sol sentit. En realitat, simplement deixarà de fluir, ja que no succeirà res.15 El demà passarà a ser perfectament predictible, idèntic a lahir. Passat i futur es fondran.16 Tot això, és clar, si el cosmos no ha trobat una forma daugmentar sense aturador la seva entropia, sense arribar mai a un valor màxim, en un desenvolupament sense fi que permeti que el temps segueixi fluint. Aquesta qüestió, lligada a una possible (i probable, segons les dades que tenim sobre la taula) expansió eterna de lespai, genera actualment molt debat dins la comunitat científica.
Però la pregunta clau, entre totes, és sens dubte la següent: per què el nostre univers va néixer amb una configuració tal que el feia més ordenat? No podria haver-se creat, fins i tot amb més probabilitat encara, desordenat?17 Si hagués passat això, no tindríem fletxa del temps cap endavant.
Una possible resposta ens la dona una visió antròpica de la qüestió. Segons aquest principi, ens podem espolsar de sobre la pregunta anterior contestant que ha dhaver estat així per força, simplement pel fet que existim. La nostra pròpia existència justificaria, per tant, que de totes les possibles configuracions inicials que podria haver triat la natura per construir el nostre univers hagués seleccionat precisament aquella que ha fet possible que estiguem aquí observant un univers que sempre avança en una única direcció i reflexionant sobre el perquè. O, vist duna altra forma, en qualsevol altra configuració, que podria ser que hagués existit, simplement no hi seríem i, per tant, no estaríem observant cap univers ni reflexionant sobre res en absolut.
Per a molts, però, la visió purament antròpica és poc satisfactòria. En efecte, estaríem més confortables si fóssim capaços de trobar una explicació científica basada en lleis fonamentals, en fórmules, i no només en el sol fet de la nostra existència. Però hem dadmetre que no en tenim, de resposta.18 Hem de conformar-nos a acceptar que la natura va triar un moment zero en què regnava un estat de més ordre, amb lenergia del nostre univers concentrada en un espai molt reduït que es va començar a inflar enormement amb el procés dexpansió.
De la mateixa manera que deixem oberta la inquietant pregunta de per què havia de començar així lunivers, hem de rendir-nos, de moment, davant la que ens qüestiona per què lentropia, el desordre, té un paper tan determinant. I, en definitiva, com és que cap de les formulacions físiques que hem construït els humans, almenys fins ara, obliga el temps a anar endavant, més que una innocent fórmula que hem batejat com a segon principi de la termodinàmica i que va començar simplement com un intent per perfeccionar la màquina de vapor.
A hores dara, i sempre amb la humilitat que ens hem dimposar veient les nostres limitacions per interpretar i conèixer la natura, no tenim més remei que assumir que sense un univers perfectament dissenyat per fer créixer sense parar un concepte que hem anomenat entropia, que representa el caos, i sense un estadi inicial, un moment zero, molt més ordenat que lactual, no tindríem fletxa del temps.
I sense fletxa del temps no hi hauria cap text a llegir, ni cap lector disponible per poder-ho fer.
LES CLAUS DE LA VIDA
LES CLAUS DE LA VIDA
Al nostre univers el temps aparentment sempre va endavant, i a aquest fet lanomenem la fletxa del temps. És aquest flux unidireccional el que permet la causalitat, és a dir, la relació entre causa i efecte. Sense aquesta direccionalitat els processos físics i químics de lunivers no progressarien i nosaltres no hi seríem.
No sembla haver-hi a penes res, en les nostres teories físiques, que obligui el temps a anar només en una direcció. Tan sols trobem aquesta restricció en la segona llei de la termodinàmica.
Lunivers va néixer amb un grau de desordre (entropia) menor que lactual. Aquest fet és el que ha permès que el cosmos estigui viu i sigui dinàmic. Shan desenvolupat estrelles, planetes i galàxies gràcies al fet que lunivers pot evolucionar cap a un estat de major desordre (entropia).
Hauria estat molt més probable que el nostre univers hagués nascut desordenat. Si hagués sigut daquesta manera, potser a hores dara el desenvolupament de lunivers hauria arribat a la seva fi.
1. Com a admirador que soc del gran Carl Sagan i de la seva novel·la Contact, no em podia resistir a triar aquesta estrella, entre infinites, per desenvolupar el raonament que segueix.
2. La velocitat de la llum en el buit és de 299.792,458 quilòmetres per segon. En altres mitjans, la llum es mou a velocitats lleugerament menors, i és perfectament possible que una determinada partícula aconsegueixi desplaçar-se per aquell mitjà més ràpid que la llum mateix.
3. Aquest efecte relativista en el temps tan sols és rellevant quan es viatja a velocitats properes a les de la llum.
4. Sense aquesta correcció, els nostres GPS serrarien aproximadament en uns nou quilòmetres acumulables dia rere dia!
5. Ens retrobarem amb la termodinàmica en diverses ocasions al llarg del llibre, com quan parlem del funcionament de les estrelles, o de com va anar el debat sobre lestimació de ledat de la Terra.
6. Un mecanisme similar al descrit és perfectament possible, com fa a cada minut la nevera de la cuina, per exemple. Però no ho fa espontàniament, sinó a costa duna despesa energètica que veiem retratada a la factura de la companyia elèctrica.
7. Segons aquest model, la pilota que rebota i sacaba aturant ho fa perquè, a cada xoc amb el terra, part de la seva energia de moviment es transforma en calor, que escalfa la goma i també el lloc dimpacte, i que després es transfereix al voltant, per exemple a laire. Daquesta manera la pilota va perdent energia progressivament i finalment satura.
8. Aquesta és la raó per la qual es pot parlar duna temperatura mínima de la natura: la temperatura de zero absolut, corresponent a 273,15 °C, que seria la que faria que els àtoms saturessin totalment.
En aquest sentit, un termòmetre no és més que un instrument per mesurar el moviment de les partícules.
9. Com veurem en uns instants, assimilar el concepte dentropia de Boltzmann exactament al grau de desordre no sempre és aclaridor, si abans no som capaços de posar-nos dacord sobre el que significa estar ordenat o desordenat. Per aquest motiu, aquesta assimilació ha rebut històricament moltes i dures crítiques, però la seguirem emprant en aquest text com una forma entenedora de visualitzar el funcionament del segon principi de la termodinàmica, sense oblidar en cap moment, però, que es tracta duna simplificació de lenunciat original de Boltzmann (que en cap cas parla en termes dordre o desordre).
10. És una simplificació. Boltzmann ens va ensenyar que les partícules no es mouen totes exactament a la mateixa velocitat, sinó sobre la base duna distribució estadística, a una corba de velocitats que es troba centrada en un valor mitjà.
11. La imaginació serà un valuós instrument al qual recorrerem en més duna ocasió en aquesta obra per enfrontar-nos amb realitats tan complexos que només tornant a recuperar lhabilitat que teníem quan érem nens podrem saltar barreres de coneixement aparentment infranquejables.
12. En realitat, i seguint el raonament estadístic de Boltzmann, no es pot descartar que, de manera espontània, un determinat mecanisme violi per un instant el segon principi, i amb el seu moviment aleatori els àtoms trobin per casualitat una configuració absolutament ordenada. Però les probabilitats que això passi són tan petites que per a la majoria de casos pràctics no hi hauria temps suficient al llarg de la història de lunivers per poder caçar un daquests esdeveniments.
13. La despesa dagenollar-nos, recollir els fragments i, molt pacientment, enganxar-los un a un per recuperar el got.
14. Serà que no existeixen els dimonis nans?
15. Més enllà de fluctuacions estadístiques.
16. Poc importarà, ja que en aquells moments farà molt que no existirà en tot lunivers res ni ningú que pugui observar un temps inexistent i fascinar-se davant daquest fet.
17. Sí, perquè al cap i a la fi hi ha moltíssimes més formes de crear una cosa caòtica que ordenada.
18. Per descomptat, hem desenvolupat diverses hipòtesis per intentar explicar aquest fet, com per exemple que en realitat només estiguem observant una minúscula fracció dun cosmos molt més gran, i que aquesta fracció hagués fluctuat en el passat, i de forma aleatòria, cap a un estat de menys entropia. Però aquesta i altres hipòtesis de moment no són més que elucubracions més o menys elaborades sobre un fet que desconeixem.