LA MENTE NUEVA DEL EMPERADOR
Roger Penrose
EL ORIGEN DE LA BAJA ENTROPÍA EN EL UNIVERSO

Trataremos de entender de dónde procede esta "sorprendentemente" baja entropía en que se halla el mundo real que habitamos. Empecemos por nosotros mismos. Si podemos entender de dónde procede nuestra propia baja entropía, entonces seríamos capaces de ver de dónde procede la baja entropía del gas mantenido por la partición o del vaso de agua en la mesa, o del huevo mantenido sobre la sartén, o del terrón de azúcar mantenido sobre la taza de café. En cada caso, una persona o un grupo de personas (o quizá una gallina) era responsable directa o indirectamente. Era, en gran medida, una pequeña parte de nuestra propia baja entropía la que se utilizaba para establecer estos otros estados de baja entropía, pero podrían haber estado involucrados otros factores:
quizá se utilizó una bomba de vacío para aspirar el gas hasta la esquina de la caja tras la partición o, si la bomba no se operó manualmente, pudo haberse quemado algún combustible fósil (vgr. aceite) para obtener la energía de baja entropía indispensable para su operación. Tal vez la bomba fue operada eléctricamente y dependió, entonces de la energía de baja entropía almacenada en combustible de uranio de una estación nuclear. Más adelante regresaré a estas otras fuentes de baja entropía, pero antes consideremos simplemente la baja entropía en nosotros mismos.
¿De dónde procede nuestra propia baja entropía? La organización de nuestros cuerpos es tal debido al alimento que comemos y al oxigeno que respiramos. Con frecuencia se oye decir que obtenemos energía de nuestra ingestión de alimentos y oxígeno, pero hay un sentido evidente en el que esto no es correcto. Es cierto que el alimento que consumimos se combina con el oxigeno que introducimos en nuestros cuerpos, y que esto nos proporciona energía, pero esa energía, en su mayor parte, escapa de nuevo de nuestros cuerpos, principalmente en forma de calor.
Puesto que la energía se conserva, y puesto que el contenido real de energía de nuestros cuerpos permanece más o menos constante a lo largo de nuestra vida, no hay necesidad de añadir nada al contenido de energía de nuestros cuerpos: no necesitamos más energía de la que ya tenemos. Añadimos algo a nuestro contenido energético cuando aumentamos de peso, pero normalmente esto no se considera deseable. Cuando somos niños, crecemos y también así aumentamos nuestro contenido energético, pero ahora no es esto en lo que estoy interesado. La cuestión es cómo nos mantenemos vivos a lo largo de nuestra vida normal (principalmente adulta). Para esto no necesitamos añadir nada a nuestro contenido energético.
Lo que si necesitamos es reemplazar la energía que perdemos continuamente en forma de calor. En realidad, cuanto más "energéticos" somos, más energía perdemos, y toda esa energía debe ser reemplazada.
El calor es la forma más desordenada de energía que existe, la forma con mayor entropía. Tomamos energía en forma de baja entropía (alimento y oxigeno) y la desechamos en una forma de alta entropía (calor, dióxido de carbono, excrementos). No necesitamos obtener energía de nuestro medio ambiente porque la energía se conserva, pero estamos luchando continuamente contra la segunda ley de la termodinámica. La entropía no se conserva, aumenta todo el tiempo. Para mantenemos vivos necesitamos reducir la entropía en nosotros. Lo hacemos alimentándonos con una combinación (de baja entropía) de comida y oxigeno atmosférico, combinándolos dentro de nuestro cuerpo, y desechando la energía, que de no hacerlo hubiéramos ganado, en una forma de alta entropía. De este modo evitamos que aumente la entropía en nuestros cuerpos, y podemos mantener e incluso incrementar nuestra organización interna. (Véase Schröedinger, 1967.)
¿De dónde procede el suministro de baja entropía? Si el alimento que estamos comiendo es carne (o setas), entonces este alimento, al igual que nosotros, tendría que depender de una fuente externa adicional de baja entropía que proporcione y mantenga su estructura de baja entropía. Esto simplemente desplaza a otra parte el problema del origen de la baja entropía externa. Supongamos que nosotros (o el animal, o la seta) estamos consumiendo una planta. Debemos estar todos profundamente agradecidos (directa o indirectamente) a las plantas verdes por su "inteligencia":
tomar dióxido de carbono atmosférico, separar el oxigeno del carbono y utilizar el carbono para formar su propia sustancia. Este procedimiento, la fotosíntesis, reduce considerablemente la entropía. Nosotros mismos hacemos uso efectivo de esta separación de baja entropía mediante la recombinación simple del oxígeno y el carbono dentro de nuestros cuerpos. ¿Cómo es que las plantas verdes son capaces de conseguir esta mágica reducción de entropía? Lo hacen utilizando la luz del Sol.
La luz que procede del Sol trae energía a la Tierra, en una forma de comparativamente baja entropía: en los fotones de la luz visible. La Tierra, incluso sus habitantes, no retiene esta energía sino que (después de un rato) la reirradia toda hacia el espacio. Sin embargo, la energía reirradiada está en una forma de alta entropía, que se llama "calor radiante" (lo que significa fotones infrarrojos). Contrariamente a la impresión común, la Tierra (junto con sus habitantes) no gana energía del Sol. Lo que hace la Tierra es tomar energía en una forma de baja entropía y luego arrojarla toda al espacio, pero en una forma de alta entropía (fig. VII.7). Lo que el Sol ha hecho por nosotros es suministramos una fuente enorme de baja entropía y nosotros (por vía de la "inteligencia" de las plantas), hacemos uso de ésta, extrayendo finalmente una mínima parte de su baja entropía empleándola para hacer posibles estas intrincadas estructuras organizadas que somos nosotros mismos.

FIGURA VII.7. Cómo hacemos uso del hecho de que el Sol sea un punto caliente en la oscuridad del espacio.


Veamos, desde el punto de vista global con relación al Sol y la Tierra, qué ha sucedido con la energía y la entropía. El Sol emite energía en forma de fotones de luz visible. Algunos de estos fotones son absorbidos por la Tierra y su energía es reirradiada en forma de fotones infrarrojos. Ahora bien, la diferencia crucial entre los fotones de luz visible y los infrarrojos es que los primeros tienen una frecuencia mayor y, por lo tanto, individualmente tienen más energía que los últimos. (Recordemos la fórmula de Planck E = hv, dada en p. 278: cuanto mayor sea la frecuencia de un fotón, mayor será su energía.) Puesto que cada uno de los fotones de luz visible tiene mayor energía que cada uno de los infrarrojos, los fotones de luz visible que llegan a la Tierra deben hacerlo en número menor al de los fotones infrarrojos que la dejan, de modo que la energía que entra en la Tierra compensa la que la abandona. La energía que la Tierra arroja al espacio se distribuye sobre muchos más grados de libertad que la energía que se recibe del Sol. Puesto que hay muchos más grados de libertad involucrados cuando la energía es devuelta, el volumen del espacio de fases es mayor y la entropía aumenta enormemente. Las plantas verdes, al tomar energía bajo la forma de baja entropía (comparativamente pocos fotones de luz visible) y rerradiarla en la forma de alta entropía (comparativamente muchos fotones infrarrojos), han sido capaces de alimentarse de ella y proporcionarnos la separación oxígeno-carbono que requerimos.
Todo esto es posible por el hecho de que el Sol es un punto caliente en el cielo. El cielo tiene una temperatura desigual: una pequeña región, la ocupada por el Sol, está a una temperatura mucho más alta que el resto, tal hecho nos proporciona entonces baja entropía. La Tierra obtiene energía de este punto caliente en forma de baja entropía (pocos fotones), y la reirradia a las regiones frías en forma de alta entropía (muchos fotones).
¿Por qué el Sol es ese punto caliente? ¿Cómo ha podido conseguir esa desigualdad de temperatura y proporcionarnos así un estado de baja entropía? La respuesta es que se ha formado por contracción gravitatoria a partir de una previa distribución uniforme de gas (principalmente hidrógeno). A medida que se contrajo, en los primeros pasos de su formación, el Sol se calentó. Seguiría contrayéndose y calentándose aún más si no fuera porque, cuando su temperatura y su presión alcanzan un cierto punto, encuentra otra fuente de energía —además de la contracción gravitatoria— en las reacciones termonucleares: la fusión de núcleos de hidrógeno en núcleos de helio para dar energía. Sin la reacciones termo­nucleares, el Sol se hubiera hecho mucho más caliente y más pequeño de lo que es ahora, hasta que finalmente hubiera muerto. Las reacciones nucleares han impedido que el Sol se vuelva demasiado caliente, dete­niendo su contracción, y han estabilizado al Sol a una temperatura que es apropiada para nosotros, haciendo posible que siga brillando durante un tiempo mucho mayor de lo que lo hubiera hecho en otro caso.
Es necesario hacer notar que, aunque las reacciones termonucleares son importantes para determinar la naturaleza y la cantidad de la ener­gía radiada por el Sol, lo crucial es la gravitación. (La potencialidad para las reacciones termonucleares da una contribución altamente significativa al bajo valor de la entropía solar, pero las cuestiones que plantea la entropía de la fusión son delicadas y una completa discusión de ellas sólo servirla para complicar el argumento sin afectar la conclusión final.)1 Sin gravedad ni siquiera existiría el Sol. El Sol brillaría aún sin reacciones termonucleares —aunque no de una forma apropiada para nosotros—, pero no estaría brillando en absoluto sin la gravedad que se necesita para mantenerlo unido y proporcionar las temperaturas y presiones idóneas. Sin gravedad, todo lo que tendríamos sería un gas frío y difuso en el lugar del Sol y no habría punto-caliente en el cielo.
No he discutido todavía la fuente de la baja entropía en los "combustibles fósiles" de la Tierra, pero las consideraciones son básicamente las mismas. Según la teoría convencional, todo el petróleo (y gas natural) procede de la vida vegetal prehistórica. De nuevo son las plantas las que resultan haber sido responsables de esta fuente de baja entropía. Las plantas prehistóricas obtuvieron su energía del Sol, de modo que debe­mos volver otra vez a la acción gravitatoria que formó al Sol a partir de un gas difuso.
Hay una interesante teoría "inconformista" alternativa acerca del origen del petróleo en la Tierra, debida a Thomas Gold, que cuestiona esta opinión convencional sugiriendo que hay mucho más petróleo en la Tierra del que podría haber surgido a partir de plantas prehistóricas. Gold cree que el petróleo estaba atrapado en el interior de la Tierra cuando ésta se formó, y que desde entonces ha estado rezumando continuamente, acumulándose en bolsas subterráneas2 No obstante, según la teoría de Gold el petróleo habría sido en cualquier caso sintetizado por la luz del Sol, aunque esta vez en el espacio, antes de que la Tierra se formase. De nuevo seria el Sol —formado gravitatoriamente— el responsable.
¿Qué hay de la energía nuclear de baja entropía en el isótopo de uranio-235 que se utiliza en las centrales nucleares? Esta no procedía originalmente del Sol (aunque podría haber pasado perfectamente por el Sol en alguna etapa) sino de alguna otra estrella que brotó hace muchos miles de millones de años a partir de una explosión de supernova. En realidad, el material fue recogido de muchas de estas estrellas explosivas y parte de él se juntó finalmente (mediante la actuación del Sol) para proporcionar los elementos pesados en la Tierra, incluso el uranio-235: cada núcleo atómico, con su reserva de energía de baja entropía, procede de los violentos procesos nucleares que tuvieron lugar durante la explosión de la supernova.
La explosión ocurrió a consecuencia del colapso gravitatorio5 de una estrella cuya masa era demasiado grande para poder ser mantenida por las fuerzas debidas a la presión térmica. Como resultado del colapso, y la subsiguiente explosión, quedó un pequeño núcleo, probablemente en la forma de lo que se conoce como una estrella de neutrones (volveré a esto más adelante.) La estrella se habría contraído gravitatoriamente en su origen a partir de una difusa nube de gas y mucho de ese material original, incluido el uranio-235, habría sido arrojado al espacio. No obstante, hubo una enorme ganancia en entropía debida a la contracción gravitatoria, a causa del núcleo de la estrella de neutrones que quedó. De nuevo fue la gravedad la responsable última; esta vez al causar la condensación (finalmente violenta) de gas difuso en una estrella de neutrones.
Parece que hemos llegado a la conclusión de que toda esta notable pequeñez de la entropía que encontramos —y que proporciona el aspecto más enigmático de la segunda ley— debe atribuirse al hecho de que se pueden ganar grandes cantidades de entropía mediante la contracción gravitatoria de gas difuso en estrellas. ¿De dónde procede todo ese gas? Es precisamente el hecho de que este gas que empezó siendo difuso el que nos proporciona una enorme reserva de baja entropía. Aún estamos viviendo de esa baja entropía, y continuaremos haciéndolo durante mucho tiempo. Es la potencialidad de agrupamiento gravitatorio de este gas la que nos ha dado la segunda ley; además, no es solamente la segunda ley lo que este agrupamiento gravitatorio ha producido, sino algo mucho más preciso y detallado que el simple enunciado: "La entropía del mundo empezó siendo muy baja". La entropía podía habernos sido dada "baja" de muchas otras formas diferentes, es decir, podría haber habido mucho "orden manifiesto" en el Universo primitivo, pero muy diferente del que se nos presenta en el mundo real. (Imaginemos que el Universo hubiera sido un dodecaedro regular —como le hubiera gustado a Platón— o alguna otra forma geométrica improbable. Esto sería realmente "orden manifiesto", pero no del tipo que esperamos encontrar en el Universo primitivo real.) Debemos comprender de dónde procede todo este gas difuso, y para ello tendremos que volver a nuestras teorías cosmológicas.