Peter Atkins - Las cuatro leyes del Universo

E ntre los cientos de leyes que describen el universo, hay cuatro que destacan especialmente. Son las leyes de la termodinámica, que resumen las propiedades de la energía y sus distintas transformaciones de una forma a otra. Tuve la duda de si incluir la palabra «termodinámica» en el título de esta pequeña introducción a un aspecto, fascinante y de importancia ilimitada, de la naturaleza, con la esperanza de que leyeran al menos hasta aquí, ya que dicha palabra no sugiere una lectura ligera. Y, de hecho, no puedo hacerla pasar por una lectura ligera. Sin embargo, cuando a su debido tiempo concluyan este delgado tomo, con el cerebro más vigoroso y ejercitado, tendrán un conocimiento profundo del papel que juega la energía en el mundo. En breve, sabrán qué es lo que mueve el universo.

No piensen que la termodinámica se ocupa solo de las máquinas de vapor: se ocupa de casi todo. Los conceptos que involucra surgieron, sí, durante el siglo XIX , en los días en que el vapor era el tema candente, pero conforme fueron formuladas las leyes de la termodinámica y se exploraron sus ramificaciones quedó claro que el tema podía afectar a una inmensa variedad de fenómenos, desde la eficiencia de las máquinas de vapor, bombas de calor y refrigeradores, incluyendo de paso a la química, hasta alcanzar incluso a los procesos vitales. En las paginas que siguen, viajaremos a lo largo de cada variedad de fenómenos.

Este grupo está compuesto por cuatro leyes, cuya numeración comienza de modo poco práctico en el cero y termina en el tres. Las dos primeras leyes (la «ley cero» y «la primera») introducen dos propiedades conocidas, pero sin embargo enigmáticas, la temperatura y la energía. La tercera de las cuatro (la «segunda ley») introduce una propiedad que muchos consideran aún más escurridiza, la entropía, pero que espero demostrar que es más sencilla de comprender que temperatura y energía, dos propiedades que resultan aparentemente más familiares. La segunda ley es una de las grandes leyes de la ciencia de todos los tiempos, ya que aclara por qué ocurre cualquier cosa —desde el enfriamiento de la materia oscura hasta la formulación de un pensamiento—. La cuarta (la «tercera ley») juega un papel más técnico, pero redondea la estructura del tema y permite y, a la vez, frustra sus aplicaciones. Aunque la tercera ley establece una barrera que nos impide alcanzar la temperatura del cero absoluto, llegar al frío absoluto, Veremos que existe un mundo especular alcanzable y extraño que se mantiene por debajo del cero.

La termodinámica se desarrolló a partir de la observación de cuerpos de gran tamaño —tan voluminosos como las máquinas de vapor, en algunos casos— y quedó establecida antes de que muchos científicos estuvieran seguros de que los átomos eran algo más que meros instrumentos contables. Sin embargo, el tema se enriquece enormemente, si la formulación de la termodinámica basada en la observación se interpreta en términos de átomos y moléculas. En esta exposición consideramos en primer lugar los aspectos observacionales de cada ley, para posteriormente sumergirnos bajo la superficie de los cuerpos de gran tamaño y descubrir la luz que aporta la interpretación de las leyes en términos de los conceptos que pueblan el submundo de los átomos.

Para concluir, y antes «de que vuestro cerebro se ponga manos a la obra con el asunto de entender el funcionamiento del universo, debo agradecer a Sir John Rowlinson el haber comentado en detalle dos borradores del manuscrito: su consejo erudito fue de enorme utilidad. Si subsiste algún error, lo estará sin duda alguna allí donde discrepé con él.

A la ley cero no se le concedió mucha importancia en un principio. Aunque se supo pronto que una ley así era esencial para la estructura lógica de la termodinámica, no se la honró con un nombre y un número hasta principios del siglo XX . Para entonces, la primera ley y la segunda estaban tan firmemente establecidas que no cabía esperar una marcha atrás en la numeración. Como quedará claro, cada ley proporciona Fundamento experimental para la introducción de una propiedad termodinámica. La ley cero establece el significado de la que quizá resulta más conocida pero es de hecho la más enigmática de estas propiedades: la temperatura.

La termodinámica, como gran parte del resto de la ciencia, utiliza términos de uso cotidiano y los afina —hay quien diría que los secuestra— de manera que adquieren un significado exacto y no ambiguo. Nos encontraremos con este fenómeno a lo largo de toda esta introducción a la termodinámica. Y lo veremos nada más empezar. En termodinámica, se denomina sistema a la parte del universo que es objeto de estudio. Un sistema puede ser un bloque de hierro, un vaso de precipitados con agua, un motor o un cuerpo humano. Incluso puede restringirse a una parte de alguna de esas entidades. El resto del universo se denomina medio . El medio es donde nos encontramos haciendo observaciones sobre el sistema e infiriendo sus propiedades. El medio propiamente dicho consiste, a menudo, en un baño de agua a temperatura constante, que es una aproximación más controlable al medio verdadero, el resto del mundo. Juntos, sistema y medio conforman el universo . Mientras que para nosotros el universo es todo, para un termodinámico menos derrochador podría consistir en un vaso de precipitados con agua (sistema) sumergido con un baño de agua (medio).