De todos los avances científicos, la evolución ha sido la más dura para el ego humano. La teoría revolucionaria de Charles Darwin, presentada en su innovador libro de 1859 sobre el origen de las especies, amenazaba con anular la posición exaltada de la humanidad en el universo. Sin embargo, en la misma época, también se estaba produciendo una revolución científica más tranquila y aparentemente sin relación.
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El concepto de entropía en física comenzó de manera inofensiva, como una explicación de por qué las máquinas de vapor nunca podrían ser perfectamente eficientes. Pero en última instancia, la entropía también amenazó una jerarquía establecida. Y, de hecho, la entropía y la evolución estaban más que casualmente relacionadas.
La entropía fue defendida y elaborada por el físico austriaco Ludwig Boltzmann, quien también resultó ser uno de los mayores promotores de Darwin en la comunidad de la física. En 1886, cuatro años después de la muerte de Darwin, Boltzmann dio una conferencia popular sobre entropía en la que dijo: "Si me preguntas acerca de mi convicción más profunda de si nuestro siglo se llamará el siglo del hierro o el siglo del vapor o la electricidad, respondo sin dudarlo: se llamará el siglo de la visión mecánica de la naturaleza, el siglo de Darwin ".
Sin embargo, Boltzmann era más que un simple animador de Darwin. Entendió la teoría evolutiva más profundamente que la mayoría en esa época, y reconoció las implicaciones completas de sus ideas centrales. Específicamente, comprendió cómo la evolución y la física del calor dependían tanto de la comprensión de la historia como de cómo se acumulan pequeños cambios con el tiempo. En el siglo XIX, estas ideas fueron tan revolucionarias que se consideraron heréticas para muchos.
Además de sus magníficas barbas, Darwin y Boltzmann no tenían mucho en común como personas. Aunque su vida laboral se superpuso por muchos años, los dos hombres nunca se conocieron. Darwin era más de una generación mayor y creció como un caballero de una familia famosa; la enfermedad lo mantuvo en casa durante gran parte de su vida posterior. Boltzmann enseñó en universidades e instruyó a muchos futuros pioneros de la física del siglo XX. Inventó artilugios, escribió poesía y viajó mucho. Más tarde luchó con episodios depresivos, que describió por escrito, y se suicidó en 1906.
En la superficie, sus teorías también parecían muy alejadas entre sí. Pero mira más profundo, y están inextricablemente entrelazados.
Tanto la evolución como la entropía alteraron las opiniones de muchas personas sobre el orden "natural". Darwin dijo que los humanos descendían de otros animales; que somos parte del mismo árbol genealógico que todos los seres vivos, sujetos a un proceso universal llamado selección natural. Boltzmann dijo que las leyes ordenadas de la física conducen al desorden y requieren que usemos el lenguaje de la estadística y la probabilidad de entender. Ambas ideas interfirieron con los puntos de vista del progreso y la mejora perpetua del siglo XIX, pero las teorías también se entrelazaron de una manera que Boltzmann fue posiblemente el primero en reconocer.
Los pinzones de las islas Galápagos proporcionaron un ejemplo clave para la teoría de la evolución de Darwin por selección natural. (MarcPo / iStock) La entropía fue descubierta por ingenieros que trabajaban en máquinas de vapor. Se dieron cuenta de que, por muy eficientes que fueran sus máquinas, siempre había algo de energía perdida en el proceso. La energía no fue destruida (eso es imposible); simplemente no estaba disponible para ser utilizado. Rudolf Clausius nombró la cantidad definida por esta pérdida de energía "entropía", de la palabra griega para transformación y el hecho de que suena similar a "energía".
Los físicos consagraron el propósito de la entropía en la Segunda Ley de la Termodinámica, que establece: En cualquier proceso separado de las influencias externas, la entropía aumenta o se mantiene constante. Es una forma de decir, en un sentido cósmico, que no hay dinero gratis. Cada transacción cuesta algo. Pero definirlo de esa manera no dice realmente qué es la entropía, y Boltzmann quería saber más.
En el siglo XIX, los científicos unificaron diferentes aspectos del conocimiento humano: unir la electricidad al magnetismo, usar nuevos métodos en física para identificar elementos químicos, etc. Boltzmann quería utilizar las leyes de movimiento de Newton, que rigen el comportamiento de los objetos macroscópicos, para comprender el comportamiento de los gases.
Su precedente fue la "teoría cinética", un modelo propuesto por James Clerk Maxwell (cuyo mayor reclamo de fama es la teoría que unifica la electricidad y el magnetismo, que muestra que la luz es una onda electromagnética) y sus colegas. La teoría cinética conectó las velocidades de las partículas de gas microscópicas con cantidades medibles como la temperatura. De acuerdo con las leyes de Newton, las colisiones individuales entre estas partículas deberían tener el mismo aspecto si invierte la dirección del tiempo. Sin embargo, la entropía siempre debe aumentar o permanecer igual, es irreversible.
La irreversibilidad es una parte normal de la vida. Romper un vaso y derramar el agua sobre el piso es irreversible. Los fragmentos de vidrio y las moléculas de agua no se volverán a formar espontáneamente. La masa de la torta no se mezclará, el perfume vertido en una habitación no fluirá de regreso a la botella. Boltzmann quería explicar estos eventos irreversibles realistas utilizando física microscópica. Lo hizo al mostrar cómo un gran número de partículas de gas aún podrían producir resultados irreversibles.
Piense en una caja sellada con una partición móvil que la divide por la mitad. En nuestro experimento, llenamos la mitad de la caja con algún tipo de gas, luego abrimos la partición ligeramente. Parte del gas pasará por la abertura en la partición, de modo que después de un tiempo haya aproximadamente la misma cantidad de gas en ambos lados de la caja.
Si comenzamos con la mitad del gas en ambos lados de la caja y luego abrimos la partición, es casi seguro que no terminaríamos con todo en un lado de la caja, ni siquiera si esperamos mucho tiempo. Aunque cada colisión entre partículas o entre partículas y las paredes del contenedor son reversibles, el resultado no lo es.
Claro, es posible que todas las partículas de gas fluyan espontáneamente de un lado del recipiente al otro. Pero como señaló Boltzmann, es muy poco probable que no tengamos que preocuparnos por eso. Del mismo modo, la entropía puede disminuir espontáneamente, pero casi nunca lo hace. Es mucho más probable que aumente o, una vez que las partículas de gas se distribuyan uniformemente entre los lados del contenedor, permanezcan igual.
El resultado es la direccionalidad y la irreversibilidad, aunque se originó en un comportamiento microscópico completamente reversible. En eso, Boltzmann vio conexiones entre entropía y evolución.
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En biología, los pequeños cambios entre generaciones por sí mismos son, para nuestros propósitos y propósitos, sin dirección y aleatorios. Pero la teoría de la selección natural de Darwin mostró cómo podrían eventualmente conducir a un cambio irreversible, proporcionando una explicación subyacente de cómo surgen nuevas especies de las existentes. Darwin llamó a este fenómeno "descendencia con modificación" e introdujo la idea de la selección natural para que funcione.
Boltzmann reconoció que esta era una forma profunda de comprender la proliferación de la vida en la Tierra, al igual que su explicación de la entropía proporcionó una comprensión profunda de los procesos irreversibles en la física. Pero más allá de la irreversibilidad, también reconoció que la vida implica competencia por la energía disponible, o para decirlo de manera equivalente, una batalla para minimizar la entropía.
Los seres vivos son un conjunto de rasgos. Algunos de esos rasgos son adaptativos, lo que significa que ayudan a un organismo a sobrevivir: permitirle encontrar comida o evitar convertirse en alimento para otra cosa. Otros rasgos son desventajosos, y algunos son neutrales, no siendo útiles ni dañinos. La selección natural es la forma en que la evolución selecciona los rasgos adaptativos de los desventajosos.
(Boltzmann incluso utilizó la teoría de Darwin para argumentar que nuestra habilidad para crear concepciones de cómo funciona el mundo ayudó a la humanidad a sobrevivir y triunfar. Eso significaba que la mente humana, tema de mucha especulación filosófica, es un rasgo adaptativo, de acuerdo con los principios darwinianos .)
La selección natural es una visión dura de la vida. Pero los seres vivos requieren alimentos, químicos del aire, del suelo o de comer otros organismos, y eso significa competencia. Los organismos que sobreviven transmiten sus rasgos adaptativos a su descendencia, mientras que los rasgos dañinos desaparecen. Si se acumulan suficientes de esos rasgos a lo largo de las generaciones, pueden surgir especies completamente nuevas. Una de esas especies era la nuestra: los humanos nacieron de los procesos de selección y adaptación natural, como cualquier otra vida.
Boltzmann usó ambas teorías para argumentar que la lucha de la vida no es por la energía. La Tierra obtiene mucha energía del Sol, mucho más de lo que la vida realmente usa en forma de fotosíntesis (y otros organismos que comen plantas y otros fotosíntesis). En cambio, la vida es una lucha para minimizar la entropía mediante la captura de la mayor cantidad de energía disponible como sea posible.
La visión de Boltzmann conectó la teoría de Darwin con la física fundamental, un logro intelectual asombroso. Mostró cómo la evolución y la entropía tienen influencia más allá de sus dominios originales. Hoy tenemos algoritmos evolutivos y entropía en la teoría de la información, y la evolución está en el criterio que usa la NASA en su búsqueda de vida en otros mundos.
Las revoluciones gemelas de Darwin y Boltzmann viven. Quizás incluso podrías decir que han evolucionado conjuntamente.
