La humanidad y las leyes de la termodinámica

La humanidad y las leyes de la termodinámica

Hace 54 años, iniciaba mis primeros pasos de investigador bajo la dirección de Jacques Émile Blamont, uno de los padres de la investigación espacial en Francia. En marzo de 1959, estaba a su lado en el Sahara en la primera experiencia espacial francesa, un lanzamiento de cohetes “Véronique” para el estudio de la alta atmósfera. Diez años más tarde, el hombre posaba sus pies en la luna. La segunda mitad del siglo XX permanecerá en la memoria por sus fulgurantes progresos científico-técnicos y en el que el número de publicaciones sobrepasó todo lo que se había escrito hasta entonces.

En esa época todos éramos entusiastas. Los progresos del conocimiento no podían, al parecer, más que ser beneficiosas para la humanidad. Sin embargo, rápidamente, el horizonte se ensombreció. Habiéndome convertido yo mismo en director de un laboratorio, vi como las tareas de enseñanza y de investigación se hacían cada día más pesadas. La forma de financiar la investigación me preocupaba muy particularmente. El investigador era cada vez menos libre de escoger sus temas de investigación, ya que los fondos eran pre asignados a programas decididos administrativamente por razones que me parecían oscuras. Si la aplicabilidad era uno de los criterios evidentes, este criterio se aplicaba mal a la astronomía. En realidad hacía falta vender su investigación al gran público. En mi opinión, estábamos matando la gallina de los huevos de oro.

Yéndome a trabajar a los Estados Unidos me pude descargar de mis tareas de enseñanza y no hacer más que investigación. Para eso tuve que trabajar en el campo de la óptica adaptativa. Eso me permitió conservar la libertad de escoger las observaciones que quería con el instrumento que había desarrollado. Me jubilé en 2001. Mientras que muchos investigadores en esta situación proseguían sus investigaciones a tiempo parcial, yo volví a Francia, una Francia que cada vez se parecía más a los Estados Unidos.

En 2004, Jacques Blamont publicaba su “Introduction au siècle des menaces” (Introducción al siglo de las amenazas) (1), un libro muy pesimista sobre el futuro de la humanidad. El año siguiente un geofísico, André Lebeau, publicaba “l’engrenage de la technique” (el engranaje de la técnica), libro que iba a ser seguido por otros varios, todos sobre las amenazas que pesan sobre la humanidad. En 2005, el libro de Jared Diamond “Collapse” atrae mi atención sobre la facultad de hundimiento de las sociedades humanas. Es traducido al francés el año siguiente (3). Entonces me planteo seriamente la cuestión. ¿Iba a desmoronarse la civilización en la que vivía? Y si ese era el caso, ¿el progreso de los conocimientos era la causa? Este tema no ha dejado desde entonces de preocuparme.

En 2006 decido publicar mis reflexiones bajo la forma de artículos publicados en un blog titulado “point de vue d’un astronome” (punto de vista de un astrónomo) (4). Desde el sexto artículo me veo abocado a hablar de termodinámica, y a partir del séptimo, de entropía. La palabra “entropía” fue creada en el siglo XIX por un termodinámico alemán, Rudolf Clasius, para designar una cantidad que se conserva en el curso de una transformación reversible. La noción de entropía nos conduce directamente al problema de la irreversibilidad y a la noción de tiempo.

La evolución de las sociedades humanas es un fenómeno eminentemente irreversible. Esto es cierto para la vida en general. Un ser vivo nace, vive y muere. No rejuvenece jamás. Por lo tanto, como cualquier otro objeto material, está sometido a las leyes de la física. Ahora bien, las leyes fundamentales de la física no dependen del sentido del tiempo. Éstas son, generalmente, representadas por ecuaciones en las cuales la variable tiempo se representa por t. Estas ecuaciones no cambian (siguen siendo las mismas) por el cambio de t en –t.

Tomemos el caso del sistema solar. Si invertimos el sentido del tiempo, los planetas giran en sentido inverso alrededor del sol, pero obedecen siempre a las leyes fundamentales de la dinámica y a la gravitación universal. Esto es también cierto en las ecuaciones del electromagnetismo. Sea cual sea el trayecto recorrido por la luz, si invertimos el sentido del tiempo, ésta recorrerá el mismo trayecto en sentido inverso. A eso se le llama el principio del retorno inverso de la luz.

¿De dónde viene entonces la irreversibilidad observada en la mayoría de los fenómenos naturales? Debemos la respuesta al físico austriaco Ludwig Boltzmann, padre de la mecánica estadística. La irreversibilidad es de naturaleza estadística. En física magnitudes como la presión o la temperatura son magnitudes estadísticas. Describen el resultado medio de la interacción de un número muy elevado de moléculas. Se utilizan magnitudes medias porque no se conocen ni la posición ni la velocidad exacta da cada una de las moléculas del sistema. La irreversibilidad es una consecuencia de esta ignorancia.

Veamos un ejemplo. Usted se desplaza en coche. Las moléculas de un sólido como las de un coche se desplazan a la misma velocidad, la de vuestro coche. Usted frena para detenerse. La energía llamada cinética ligada al movimiento del coche se transforma en calor en los frenos. Cuando los frenos se enfrían, este calor se transfiere a las moléculas del aire del ambiente. Hemos pasado de un conjunto ordenado de velocidades conocidas, todas iguales, las de las moléculas de su coche, a un conjunto desordenado de velocidades desconocidas, las de las moléculas del aire que ha servido para enfriar sus frenos. El físico traduce esto diciendo que la energía cinética del coche se ha disipado en calor a través de los frenos.

Imaginemos que Usted ha podido registrar el movimiento de todas las moléculas en esta serie de sucesos. Supongamos además, de que sea capaz al final de invertir el movimiento de cada una de las moléculas. La reversibilidad de las leyes de la física implica que Usted podría entonces transformar el movimiento desordenado de las moléculas del aire del ambiente en un movimiento ordenado de moléculas en la zapata de los frenos que sería capaz de acelerar el tambor y de volver a dar a vuestro coche su velocidad inicial.

Se ve claramente que tal experiencia es prácticamente imposible, pero muestra el carácter esencial de la irreversibilidad que es el de una pérdida de información. Como lo ha mostrado Claude Shannon, la entropía de Clausius mide esta pérdida de información. Toda pérdida de información es irreversible. En el curso de una transformación reversible la entropía no varía porque no hay pérdida de información. Cuando hay pérdida de información, entonces hay irreversibilidad: la entropía aumenta. Un físico define esto diciendo que la energía mecánica se ha transformado en calor.

Las leyes de la termodinámica han sido primero establecidas para los sistemas llamados cerrados, es decir, aislados del mundo exterior. La entropía de un sistema cerrado no puede jamás disminuir. A medida que la energía se disipa, es decir se convierte en calor, la entropía de un sistema cerrado aumenta hasta alcanzar su valor máximo, a partir de la cual permanece constante. Decimos que hemos alcanzado el equilibrio termodinámico. La información sobre el sistema es entonces mínima. Las diferencias de presión o de temperatura difuminan y después desaparecen. De manera general, toda estructura ordenada potencialmente portadora de información desaparece. Todo movimiento cesa. Para un ser vivo, el equilibrio termodinámico es la muerte.

El estudio de los sistemas termodinámicos abiertos debe mucho al físico-químico Ilya Prigogine. Los sistemas abiertos reciben energía e información del mundo exterior. Sus propiedades son lo opuesto a las de los sistemas cerrados. Pueden aparecer diferencias de presión o de temperatura y formarse estructuras ordenadas. Estas estructuras tienen la propiedad de auto-organizarse espontáneamente. Algunas de ellas llegan a mantenerse en un estado casi estacionario gracias al flujo permanente de energía que las atraviesa. Prigogine les dio el nombre de estructura disipativa. Citemos como ejemplos, un ciclón, un organismo vivo, y, en el caso que particularmente nos interesa aquí, una sociedad humana.

El estudio de las estructuras disipativas ha progresado mucho durante estos treinta últimos años, pero estos progresos son todavía poco conocidos por los biólogos y casi desconocidos por los investigadores en ciencias humanas. Se plantean dos cuestiones fundamentales: ¿por qué se auto-organizan las estructuras disipativas y por qué mecanismo? Los físicos tienen ahora elementos para responder a estas dos cuestiones. El objetivo de este artículo es el de hacerlos conocer y de mostrar más particularmente sus implicaciones en ciencias humanas. Arrojan un nuevo día sobre la historia de la humanidad.

A finales del siglo XX aparecieron elementos de respuesta a la primera cuestión, cuando los geofísicos han mostrado que la atmósfera terrestre está en un estado de máxima producción de entropía. Los astrónomos han podido mostrar que ocurre lo mismo en la atmósfera de Marte o en la de Titán. Un número creciente de físicos se interesan en la termodinámica de los ecosistemas. Se han percatado también que los ecosistemas tienden a maximizar sus tasas de producción de entropía. Esta propiedad, bautizada como MEP (Maximun Entropy Producción), aparece hoy potencialmente como un tercer principio de la termodinámica. Un físico de los ecosistemas, Roderick Dewar (5), publicó en 2003 una demostración estadística, pero esta demostración fue puesta en cuestión en 2007.

Sin embargo hoy se puede considerar MEP como un tercer principio de la termodinámica, verificado en todas sus consecuencias, como lo fue el segundo principio, llamado principio de Carnot, antes de su demostración por Ludwig Boltzmann. Es interesante destacar que este tercer principio había sido entrevisto desde 1922 por el estadístico americano Alfred Lotka (6, 7), bajo la forma de una generalización de la selección natural de Darwin. MEP implica que las estructuras disipativas, esto es los seres vivos, tienden a maximizar sus tasas de producción de entropía.

En ciencias humanas, esto implica que nuestras sociedades se auto organizan de manera a maximizar la velocidad a la cual disipan energía, lo que ninguna observación contradice. Bajo la forma generalizada de Lotka, la selección natural se aplica a las sociedades humanas. Favorece no sólo a los individuos, sino también a las sociedades que disipan el máximo de energía. Para Frederick Soddy (8), premio Nobel de Química por su descubrimiento de isótopos radioactivos, el bienestar se mide en términos de energía disipada. Es por tanto natural que una sociedad formada por individuos que buscan maximizar su bienestar, tienda a maximizar su tasa de disipación de energía.

Elementos de respuesta a la segunda cuestión, a saber, como se organizan las estructuras disipativas, han comenzado a ver la luz desde el último cuarto del siglo XX. Sabemos hoy en día que se trata de proceso de transición de fase (9). En física, la expresión “transición de fase” designa un cambio de estado de la materia, por ejemplo el paso del estado gaseoso al estado líquido o sólido. La formación de un cristal de nieve es un muy bello ejemplo de auto-organización en el curso de una transición de fase. En una cristalización, hay formación espontánea de orden con desprendimiento de calor. Una transición de este tipo necesita un aporte de información bajo la forma de germen, lo que implica una discontinuidad de la entropía. Se habla entonces de transición de fase abrupta.

El modelo de organización de las estructuras disipativas es el de las transiciones de fase continuas. Éstas se producen a una temperatura muy particular llamada temperatura crítica. En física, el ejemplo de transición de fase continua es el paso del paramagnetismo al ferromagnetismo. Se produce a una temperatura crítica bien determinada llamada temperatura o punto de Curie. Es conocido que en un campo magnético el hierro se imanta y conserva su imantación. Decimos que el hierro es un material ferromagnético. Por encima del punto de Curie (770ºC), ya no conserva más su imantación. Se ha convertido en paramagnético.

Esta transición de fase está representada por un modelo matemático llamado Modelo de Ising que es interesante de describir aquí con algún detalle, ya que es aplicable a las sociedades humanas. Cada átomo de hierro está representado por un pequeño imán llamado “spin”. Un spin puede estar dirigido hacia arriba o hacia abajo. Por encima del punto de Curie, la agitación térmica hace que los spines no paren de cambiar de sentido. Como los spines son incapaces de conservar su orientación, el hierro no queda imantado. Decimos que es paramagnético. Cuando disminuimos la temperatura, cada átomo de hierro tiende a mantener su spin orientado como el de sus vecinos. Aparecen dominios, llamados dominios de Ising, en el interior de los cuales todos los spines tienen la misma orientación.

Esto es aplicable a las sociedades humanas. Semejantes a los spines, los individuos tienden a imitar a sus vecinos. La orientación de un spin representa un bit de información. De la misma forma que los spines de un dominio son portadores de una misma información, los individuos de una misma sociedad comparten conocimientos comunes. Los spines de un mismo dominio cooperan entre sí para crear un mismo campo magnético exterior. Los individuos de una misma sociedad cooperan entre ellos por una causa común. Los spines que pertenecen a dominios de orientación diferente están en competencia entre ellos. Los individuos que pertenecen a sociedades diferentes lo están también.

El modelo de Ising es utilizado en inteligencia artificial para modelizar la propagación de las creencias dentro de una sociedad humana. Los cambios de spin corresponden a cambios de opinión. Se introducen más fácilmente en tanto en cuanto la “temperatura” es más elevada, es decir, como veremos, cuando la sociedad es más prospera. Resulta entonces más fácil manipular las opiniones gracias a los medios y a la publicidad.

En el punto de Curie, el tamaño de los dominios de Ising se distribuye según una ley de potencia. Tal distribución es invariante por el cambio de escala. No teniendo ningún tamaño característico, esta distribución tiene el mismo aspecto visto por el ojo desnudo, con lupa o al microscopio. A la temperatura crítica del punto de Curie, el hierro se convierte en extremadamente sensible a su entorno. El mínimo campo magnético exterior va a decidir la orientación de los spines en el interior de los dominios. Cuando la temperatura sigue disminuyendo, los dominios de Ising pequeños desaparecen en beneficio de los grandes. En el interior de estos últimos la orientación de los spines está esencialmente determinada por la del campo magnético exterior. El hierro queda imantado. Se ha convertido en ferromagnético.

Los físicos han descubierto que las estructuras disipativas oscilan constantemente en la proximidad de su temperatura crítica. El físico danés Per Bak ha dado a este fenómeno el nombre de “criticalidad auto organizada” (10), Para describirlo en ciencias humanas, es necesario generalizar la noción de temperatura. En mecánica estadística, el inverso de la temperatura absoluta viene dado por la derivada de la entropía en relación con la energía. Como ha mostrado James Sethna (11), el inverso de la temperatura es el coste ligado a la compra de energía en el mundo. En ciencias humanas, es cómodo razonar en términos de información en lugar de entropía. Esto nos conduce a definir la “temperatura” de una economía como siendo el inverso de la cantidad necesaria para adquirir una cierta cantidad de energía. En una sociedad primitiva, esta información es la que nos permite encontrar alimento. Cuando más disponible es éste, menor es la cantidad de información necesaria, y más elevada es la temperatura de la economía. En una sociedad  avanzada, esta información se mide en términos monetarios. Viene dada por el coste de la energía. Cuanto más débil es su coste, más elevada es la temperatura de la economía.

El tercer principio de la termodinámica del que he hablado implica que las sociedades humanas se organizan para maximizar su disipación de energía. A medida que una sociedad se organiza, su economía se convierte en más y más próspera. La temperatura pasa por encima del punto crítico. Los individuos de dicha sociedad tienden a multiplicarse rápidamente. Agotan sus recursos naturales y perturban su entorno que se convierte en inestable.

Parecidos a los spines del hierro que cambian constantemente de sentido independientemente los unos de los otros, los miembros de dicha sociedad son individualistas, en competición entre ellos. Cada uno hace lo que quiere, tratando de adaptarse a un entorno que evoluciona sin cesar. Reconocemos aquí lo que llamamos hoy en día el liberalismo. Las estrategias de adaptación no pueden ser más que a corto plazo. Los conocimientos adquiridos se convierten rápidamente en obsoletos y su transmisión es inútil. La educación pierde su sentido.

Encontramos el mismo fenómeno en biología bajo el nombren de estrategia r. En los organismos vivos la información memorizada es esencialmente de naturaleza genética. Por eso la estrategia r favorece a los organismos de corta duración de vida, en los que el crecimiento es rápido y la diversidad genética muy grande.

La mayor parte de las sociedades humanas actuales están en un estado de estrategia r. Buscan adaptarse a un entorno que evoluciona muy rápido. Hablamos de “resiliencia”. Pero cuanto más tiempo se mantiene una sociedad gracias a su resiliencia, más rápidamente se modifica su entorno de manera que la evolución se acelera.

El biólogo Leigh van Valen ha bautizado este proceso como “efecto de la reina roja” en referencia a la obra de Lewis Carroll (12) en la cual la reina roja dice. “aquí, hay que correr lo más rápido posible para mantenerse en el mismo sitio”. El efecto de la reina roja ha permitido a van Valen explicar la extinción de las especies. Cuando una especie no evoluciona más lo suficientemente rápido, se extingue. Está claro que el efecto de la reina roja se aplica también a las sociedades humanas. Cuando una sociedad humana no evoluciona más suficientemente rápido, se derrumba. Podemos así dar cuenta del colapso de sociedades descritos por Jarel Diamond (3).

Un colapso disminuye la prosperidad de una sociedad. Reconduce la temperatura de su economía a la cercanía del punto crítico. Nuevos dominios de Ising se forman y se extienden. En biología, nuevas especies animales o vegetales se desarrollan. En el caso del hombre, las sociedades se reorganizan, La selección natural favorece las estructuras que crecen el máximo. En biología hablamos de selección K. Habiéndose estabilizado el entorno, la estrategia K favorece a los organismos grandes, de larga duración de vida en los que el crecimiento es lento y bien adaptado a su entorno. En el caso del hombre, favorece a las grandes sociedades. La economía se recupera y su temperatura aumenta de nuevo.

Estas oscilaciones en la proximidad del punto crítico son características del proceso de criticalidad auto-organizada. Explican muy bien la apariencia cíclica de la evolución histórica , así como de los ciclos económicos. No tienen sin embargo ninguna periodicidad particular.

Una estructura disipativa busca adaptarse constantemente a su entorno. En biología la adaptación se hace gracias a la mutación de los genes. En ciencias humanas, la adaptación se hace por mutación de las ideas. Una sociedad humana se reestructura permanentemente. Por orden de importancia creciente, esto puede ser un simple permiso de construir o, a escala nacional, un nuevo decreto, más raramente una nueva ley o un nuevo gobierno. En dinámica no lineal, a los acontecimientos de este tipo se les denomina bifurcaciones. Los físicos han mostrado que las estructuras disipativas se reorganizan mediante avalanchas de bifurcaciones.

Per Pak compara estas avalanchas a las que se observan en el caso de un montón de arena sobre el cual echamos arena. La pendiente de la arena aumenta hasta alcanzar una pendiente crítica (análoga al punto crítico) a partir de la cual se producen avalanchas. La frecuencia de estas avalanchas es tanto mayor que su amplitud es más débil. Ocurre los mismo con las avalanchas de nieve en invierno. Otro ejemplo es el de los temblores de tierra. La corteza terrestre se reestructura permanentemente produciendo seísmos cuya amplitud es inversamente proporcional a su frecuencia. Es la ley de Gutenberg-Richter.

El proceso se aplica de manera general a la evolución de las estructuras disipativas. Las avalanchas corresponden a discontinuidades en el flujo de la energía disipada. Per Bak y sus colaboradores han mostrado que se aplica a la evolución de las especies en biología. La amplitud de las extinciones de especies es inversamente proporcional a su frecuencia. Está claro que se aplica también a la evolución de las sociedades  humanas. Explica el fenómeno del colapso de las civilizaciones. La importancia del colapso puede ir desde una simple quiebra financiera hasta una revolución social o incluso una guerra mundial. Hoy en día nuestros recursos petroleros se agotan e incluso el clima de nuestra planeta cambia. Podemos alcanzar un colapso mundial seguido de una reestructuración del conjunto de nuestras sociedades.

El proceso de colapso de las civilizaciones humanas ha sido estudiado en detalle por Joseph Tainter (13). El autor se basa en la ley e los rendimientos decrecientes en economía. Vemos que se trata de un proceso físico muy general, el de la disipación de energía. Se aplica de igual modo a las civilizaciones humanas como a las especies animales o vegetales o incluso a los ciclones en la atmósfera terrestre.

Espero haber convencido al lector que la historia obedece a leyes. Estas leyes son de naturaleza estadística y están ligadas a la disipación de la energía. Porque han sido demasiado rápidos, los progresos científicos y técnicos de estos últimos siglos han provocado regularmente desastres y conducen hoy a la humanidad al borde del abismo. ¿El conocimiento de estas leyes permitirá a la humanidad evitar los desastres futuros? Individualmente el hombre no puede hacer nada, pero colectivamente puede reaccionar.

Hoy en día las ciencias están extremamente compartimentadas, pero podemos esperar que en el futuro lo estén menos. Ante la inminencia de un desastre a escala planetaria una toma de conciencia emerge. Nuevos dominios de Ising se forman en el interior de los cuales la humanidad comienza a reestructurarse. Cuando las grandes estructuras actuales colapsen, entonces, de entre estas nuevas estructuras, las que estén mejor adaptadas al nuevo entorno florecerán. Es así como al final de los dinosaurios, los mamíferos se han desarrollado para dar nacimiento al hombre.

La tercera ley de la termodinámica implica que la humanidad continuará disipando energía más y más eficazmente según un proceso que ha sido el mismo desde el comienzo del universo. Los quarks se unieron para formar nucleones. Los nucleones se unieron para formar átomos. Estos se unieron para formar moléculas, después las macromoléculas que han generado los genes, después los genomas. Fundamentalmente se trata de un proceso termodinámico de memorizar y compartir la información. Cuanto mayor es el contenido de información memorizado, más disminuye la entropía y más energía se disipa.

El astrónomo Eric Chaisson (14) ha aportado la tasa de energía disipada por unidad de masa para diversas estructuras disipativas en función de fechas de aparición en el universo. Esa tasa no ha cesado de aumentar. El hombre disipa más energía que los animales que disipan más que las plantas. A igual masa, disipa mil veces más energía que el sol. Memoriza también mucha más información. Este proceso explica el progreso constante de nuestros conocimientos. Cuanto más se acumulan más energía disipamos. El progreso científico y técnico conlleva inevitablemente un incremento de nuestra disipación de energía.

Vemos, hoy en día, a este proceso actuar directamente bajo nuestros ojos. La cantidad de información memorizada a través de los ordenadores y la compartición de esta información a través de los nuevos medios de comunicación crece exponencialmente. Un cerebro global se auto-organiza a escala del planeta. La vida sobre la Tierra será entonces un mismo y solo organismo, bautizado Gaya, por James Lovelock. Desgajado de su entorno por distancias interestelares, Gaya estará en contacto con una fuente caliente, la superficie del sol a 6000º K, y una fuente fría, la radiación cósmica a 3º K. Como un motor térmico bien rodado, disipará la energía de forma regular, gracias a ciclos cada vez más cercanos a la reversibilidad perfecta de los ciclos de Carnot. Gaya habrá alcanzado al fin la fase estacionaria, llamada homeóstasis de los seres vivos. Sufrimos actualmente los dolores de su parto (15).

FRANÇOIS RODDIER

Referencias:

Jacques Blamont, Introduction au siècle des menaces, Paris, Odile Jacob, 2004.

André Lebeau, L’engrenage de la technique, Essai sur une menace planétaire. Paris, Gallimard, 2005.

Jared Diamond, Effondrement: Comment les sociétés décident de leur de disparition ou de leur survie, Paris, Gallimard, 2006.

http://francois-roddier.fr/

Roderick Dewar, J. Phys. A: Math. Gen. 36, p. 631 (2003).

Alfred Lotka, Contribution to the Energetics of Evolution, PNAS, 8, p. 147 (1922).

Alfred Lotka, Natural Selection as a Physical Principle, PNAS, 8, p. 151 (1922).

Frederick Soddy, Wealth, Virtual Wealth and Debt. The solution of the economic paradox, George Allen & Unwin (1926).

Ricard V. Solé, Phase Transitions, Princeton (2011).

 Per Bak, How nature work. The science of self-organized criticality, Springer (1996). Traduit en français sous le titre: Quand la nature s’organise, Flammarion (1999).

 James P. Sethna, Statistical Mechanics: Entropy, Order Parameters, and Complexity (Oxford, 2006).

 Lewis Carroll, Alice au pays des merveilles: de l’autre coté du miroir.

 Joseph A. Tainter, The collapse of complex societies, Cambridge (1990).

 Eric Chaisson, Cosmic Evolution: The Rise of Complexity in Nature, Harvard, 2001

 François Roddier, Thermodynamique de l’évolution, Parole, édit. (2012).