2014-10-13

107.- Evolución, Universo y Entropía


Un argumento muy utilizado por los creacionistas cristianos e islámicos para intentar refutar la evolución biológica es la supuesta contradicción entre la evolución y la Segunda Ley de la Termodinámica (SLT).

A modo de ejemplo, en el artículo "ENIGMAS DEL NEODARWINISMO" publicado en el blog Dignitas se afirma:
Hay una segunda objeción no resuelta. La ley de la entropía no parece compatibilizarse demasiado bien con el neodarwinismo. Esta ley dice que todas las cosas deben avanzar del orden al desorden. Sin embargo, la evolución biológica procede en la dirección opuesta: del orden a más orden, de lo simple a lo complejo. Basta que nos coloquemos en el primer estadio de la aparición de la vida en la Tierra y lo comparemos con el estadio actual para que en efecto comprobemos que hoy hay más complejidad. Pero en la teoría neodarwinista las variaciones son aleatorias, no direccionales (como requeriría la ley de la entropía) y por tanto no dirigidas hacia la complejidad.
El tema de la entropía y su relación con la vida y la evolución del universo es complejo, pero se puede tratar en forma simplificada siempre que no se cruce la barrera que señala la siguiente frase, atribuida a Albert Einstein:
Las explicaciones deben ser tan simples como sea posible, pero no más simples.
El argumento creacionista anterior cruza dicha barrera al simplificar excesivamente el tema.

En una de las conferencias posteriores al debate "God and Cosmology" entre el apologista cristiano William Lane Craig y el cosmólogo ateo Sean Carroll, el segundo respondió a la objeción creacionista anterior en una intervención que me pareció brillante por su claridad y brevedad. Son sólo 5 minutos, que traduzco en forma condensada a continuación, agregando algunas ilustraciones, explicaciones y referencias.


Enlace directo al minuto 36:40

Existe un argumento en contra de la selección natural y la evolución darwiniana que los creacionistas esgrimen a veces, un argumento claramente falso, pero falso de un modo interesante. Dice así:
La SLT afirma que el desorden aumenta en el universo y que eventualmente se producirá su muerte térmica. ¿Cómo podría entonces, un universo gobernado por la SLT desarrollar estructuras tan complejas y maravillosas como las que vemos aquí en la biósfera de la Tierra?
Refutación rápida:
La SLT afirma que la entropía debe aumentar en sistemas aislados, pero la evolución ocurre en la biósfera terrestre, que no está aislada, porque interactúa con el Sol y con el espacio que la rodea.
Así que el argumento no aplica. No existe ninguna ley física que exija que la entropía de nuestra biósfera deba aumentar.

Pero si bien lo anterior es cierto, no explica porqué surgió toda esa complejidad. Aunque el proceso sea compatible con la SLT, la SLT no requiere que la complejidad deba aumentar.

La justificación del aumento de la complejidad en la biósfera es un tema muy interesante.

Sabemos que la Tierra está lejos del equilibrio térmico, que es lo que sucede cuando todo se encuentra a la misma temperatura, la entropía ha alcanzado su punto máximo y los procesos se detienen. La Tierra no está en esa situación, porque el Sol es un punto caliente en un espacio frío.

La biósfera recibe energía del Sol y la envía de vuelta al espacio, sin acumularla. Si la energía del Sol se acumulara en la biósfera, la temperatura sería ahora demasiado elevada como para permitir la vida que conocemos, y sin el Sol la temperatura sería demasiado baja.

La biósfera recibe energía con baja entropía (útil) del Sol y la irradia de vuelta al espacio con alta entropía.

Las temperaturas aproximadas de la superficie del Sol y de la biósfera terrestre son 6000 K y 300 K (Kelvin) respectivamente, una diferencia de 20 veces. Por cada fotón con baja entropía que recibe del Sol, la Tierra irradia unos 20 fotones con alta entropía hacia el espacio, cuya temperatura media es 3 K.


La Tierra irradia unos 20 fotones "tibios" por cada fotón "caliente" que recibe.

El proceso es análogo al de una máquina de vapor. La máquina recibe vapor caliente desde la caldera y expulsa vapor tibio hacia la atmósfera fría. Parte de la energía del vapor caliente se convierte en energía mecánica.


Máquina de vapor: enlace a animación

La Tierra no es sólo compatible con la SLT, es un "motor" que incrementa la entropía del universo.

Lo anterior está relacionado con el origen de la complejidad. Complejidad y entropía son conceptos diferentes.

La entropía puede ser visualizada como el número de estados microscópicos correspondientes a un cierto estado macroscópico.

Complejidad es una medida de qué tan difícil resulta describir un sistema a escala macro.

Si mezclamos leche con café en un vaso, antes de iniciar la mezcla la entropía es baja, porque el café y la leche están separados. Una vez completada la mezcla la entropía es alta, porque todo está revuelto, y existen muchísimos más estados microscópicos correspondientes a café mezclado con leche, que al café separado de la leche. Por esa razón la entropía tiende a aumentar, tal como afirma la SLT.

Pero antes de iniciar la mezcla el sistema es simple (café - leche), y una vez completada la mezcla también lo es (todo revuelto). El sistema sólo es complejo durante la etapa intermedia, cuando el vaso contiene leche y café parcialmente mezclados.


Complejidad y entropía son conceptos diferentes.

En el universo ocurre lo mismo. La entropía del universo debe aumentar, porque es un sistema aislado (SLT).

El universo primigenio tenía baja entropía y el universo futuro tendrá alta entropía, pero el universo primigenio era un lugar simple (sopa caliente de partículas) y el universo futuro también lo será (gas con temperatura uniforme). Sólo la etapa intermedia del universo es compleja (estrellas, planetas, vida).

La complejidad no requiere que la entropía sea baja;
la complejidad requiere que la entropía esté aumentando.

La mantención de la complejidad, como en el caso de un organismo viviente, requiere que esté alejado del equilibrio viviendo en un ambiente donde la entropía esté aumentando, condición que la biósfera terrestre satisface.

Así que la vida no es sólo compatible con la SLT; la vida es un efecto secundario de la SLT.

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Referencias

- Capítulos 2, 8 y 9 del libro "From Eternity to Here", Sean Carroll.

- "The second law of thermodynamics says that everything tends toward disorder, making evolutionary development impossible", The TalkOrigins Archive.

- "Does Life On Earth Violate the Second Law of Thermodynamics?", Robert N. Oerter.

- "Evolution and the Second Law", Sean Carroll.

- "Why doesn’t life and evolution violate the second law of thermodynamics? Don’t living things reverse entropy?", Ask a Mathematician / Ask a Physicist.

- "The irreversible Universe: Thermodynamics and entropy", Physicalworld.org.

17 comentarios :

Voltaire dijo...

Si después de esta sencilla y clara explicación no entienden, entonces no entenderán, porque mas claro, imposible.

Muy buena entrada porque los ejemplos permiten captar bien la idea de entropía, que en si misma es bien complicada.

Jack, debes ser un muy buen profesor. Y si no eres profesor deberías serlo para que desburrices a los que lo necesiten. Ojo! estoy diciendo que "a los que lo necesiten" y no me estoy refiriendo a creyentes o no creyentes.

Jack Astron dijo...

Gracias, Voltaire, es un placer tomar un tema complejo, investigarlo, y explicarlo en forma simple, más aún si de pasada se refuta una de las clásicas objeciones de los creyentes.

Gracias por tu comentario.

Miguel dijo...

¿Y cuánto va a durar el Universo? Un año, 1000, 10^100... hasta que mi yo desaparezca...

Prepotencia no es ciencia. No sabemos NADA sobre la entropía del Universo, ni de cuando se formó, ni ahora ni cuando se enfríe (si es que se enfría).

Jack Astron dijo...

En mi opinión no estamos tan perdidos como para afirmar que no sabemos NADA.

En mayo de este año se reveló el resultado de una simulación de la evolución del universo en un supercomputador, tan detallada como para requerir 2.000 años de tiempo de CPU de un PC normal.

La simulación comienza apenas 12 millones de años después del Big Bang (si la edad del universo fuera 1 año, 12 millones de años equivaldría a 8 horas) y continúa hasta el momento actual (13.800 millones de años tras el BB) recreando un sector del universo suficientemente grande como para ser representativo.

La simulación produce imágenes muy similares a las que captamos con nuestros telescopios. Se forman galaxias de formas conocidas con agujeros negros supermasivos en su centro, cúmulos de galaxias, etc.

La siguiente referencia incluye un video del universo simulado:

Model Universe recreates evolution of the cosmos

La coincidencia entre la simulación y la realidad implica que conocemos suficientemente bien las leyes que gobiernan la evolución del universo como para hacer pronósticos razonablemente válidos respecto de su futuro.

Saludos.

Atilio dijo...

Tengo poco tiempo, así que solo diré dos cosas.

Sobre el texto en rojo de Dignitas se puede decir que la apreciación que hace el nombrado es simplista, como para ser generoso.
Esa gente lo ve todo de manera escolástica y vulgar, por ejemplo, refiriéndose a la "ley" como si fuese un objeto preciso y con claro pensamiento teleológico incluido (al decir que la biología "procede" dse manera opuesta a la segunda ley de la termodinámica olvida nada menos que la muerte, el cáncer, el envejecimiento, la oxidación, las mutaciones, etc. casi nada...).
La "ley" es una regularidad observada y confirmada SIN EXCEPCIONES. si hubiese habido una excepción ya le habrían dado el Premio Nobel al descubridor y lo sabríamos todos. Así que Dignitas no tiene muchas chances en mi opinión.
Dicha regularidad se observa en procesos físicos de todo tipo yu no solo en los biológicos.

Los de Dignitas es un claro estridente de sesgos porque se parte de posiciones ya decididas por actos irracionales y se intenta forzar la interpretación del mundo de manera que concuerde con esos actos irracionales y posturas iniciales.

Lo segundo que quería comentar era en relación a la exageración clásica de Miguel.
Los críticos de la ciencia pasan, sin ninguna verguenza, de decir que no sabemos nada a declarar que ellos lo swaben todo, sea porque se lo dijo alguien con ropajes raros y sombrerito, sea porque lo leyeron en un viejo libro, sea porque la voz en la mente así les dijo.

Si bien la ciencia está constantemente abierta a nuevos descubrimientos que pueden cambiar el paradigma, es también cierto que se construye sobre si misma hace unos 400 años y que sabemos lo suficiente de ciertas cosas como para estar hablando aquí entre nosotros usando "teorías" y "leyes" como la Termodinámica, la cuántica, el electromagnetismo, etc.

Saludos.

Jack Astron dijo...

Carroll expande este tema en su último libro, "THE BIG PICTURE
On the Origins of Life, Meaning, and the Universe Itself
", cuarta parte, "COMPLEXITY", capítulo 28, "The Universe in a Cup of Coffee".

https://www.preposterousuniverse.com/bigpicture/

Renzo dijo...

Gracias Jack !!!

Unknown dijo...

Entropía y Complejidad están relacionados, pero no son lo mismo.
Pero lo que no sé es dónde se comprobó que el Universo (físico-astronómico) es un Sistema Aislado (esto es una mera suposición que yo no comparto porque creo en un "Universo Infinito" y mucho mayor y que contiene al universo físico).

Jack Astron dijo...

Gustavo

Quizás debieras explicar la diferencia que planteas entre "universo infinito" y "universo físico".

Para mí, "universo" es la "burbuja espacio-tiempo" que comenzó a expandirse hace unos 14 mil millones de años. Dado que se ha estado expandiendo a una velocidad finita durante un intervalo de tiempo finito, concluyo que su tamaño es finito. Es posible que sea muchísimo más grande que lo que alcanzamos a divisar ("universo visible"), pero aún así no tendría un tamaño infinito.

Podría existir un número enorme de "burbujas" similares, en cuyo caso hablaría de "multiverso".

Saludos.

Renzo dijo...

Hola Gustavo, es verdad que se usan en ocasiones como sinónimos sin que sea siempre correcto hacerlo. A los efectos de aplicación de las Leyes físicas conocidas, para hacer observaciones, predicciones, etc... se puede considerar que "nuestro" Universo es un sistema aislado, lo que no me queda claro es a qué te refieres con lo del "universo físico".

Saludos.

Renzo dijo...

Nos cruzamos Jack :-)

Unknown dijo...

Coincidimos en las características de lo que es el Universo (físico-finito).
A lo que tú llamas Multiverso, yo lo llamo "Universo Infinito".
Nada sabemos a ciencia cierta de cómo el Todo-Universal, pero de existir y ser diferente del Universo Físico, este estaría incluido y con límites y en contacto con en el Universo Infinito.
Mi pregunta era ¿dónde se ha demostrado que ese Universo Físico está aislado?

Renzo dijo...

Demostrada no está ni su forma ni en su tamaño, pero hay que partir de alguna hipótesis de trabajo que sea coherente con lo que conocemos y podemos verificar y que sirva para seguir avanzando en el conocimiento de lo que aún no sabemos.

Saludos.

Jack Astron dijo...

Gustavo

En el escenario del multiverso, los universos son burbujas independientes, y por lo tanto, son sistemas aislados. Cada una tiene su espacio y tiempo propios.

Sólo se especulan posibles colisiones durante el surgimiento de las burbujas, las cuales podrían haber dejado huellas en el fondo cósmico de microondas. El análisis de las imágenes muestra posibles rastros de esas colisiones (apoyando la hipótesis del multiverso), pero no es conclusivo.

Unknown dijo...

Renzo y/o Jack
Creer que nuestro Universo Físico (finito) está aislado, "No es ciencia constituida", es "filosofía natural". A mi me encanta esa filosofía;
Díganme en base a qué experimento, partimos del Axioma de que el Universo físico está aislado.
Yo pienso que el Universo está "abierto" a un Universo mayor (Infinito)
Mi argumento es el siguiente; "La Energía ni se crea ni se destruye", entonces no tuvo ni origen ni fin en el tiempo (es eterna-infinita). Además, según Einstein, el espacio no es independiente del tiempo, sino que forman un continuo s/t tetradimensional, entonces el espacio también debe de ser infinito.
Como el Universo Físico es finito tanto en espacio como en tiempo, entonces debe estar contenido en otro Universo (todavía desconocido y mucho mayor) que debe de ser infinito.

Renzo dijo...

Gustavo, veo que mezclas conceptos filosóficos con otros físicos y eso no suele dar buenos resultados a la hora de entendernos y menos si hay que hacerlo en un blog.
No se trata sólo de "creer" sin más, se trata de que crear una hipótesis que sea válida para obtener más datos y mejores aproximaciones al conocimiento, que sea coherente con lo que observamos, con los resultados de la experimentación y con las predicciones que hagamos, y para todo esto la hipótesis de un Universo aislado, es buena, funciona.
Yo tampoco creo que hubiera un momento sin energia, no tiene sentido, por lo que sabemos, que haya sido así, pero por ahora sigue siendo algo que creemos, basado en lo que sabemos, sí, pero sólo podemos especular sobre ello.
Sigo sin terminar de comprender a qué llamas tú "Universo Físico" al que calificas como "finito tanto en espacio como enh tiempo".

Saludos.

Anónimo dijo...

Gustavo Molina Rodriguez dijo:

Díganme en base a qué experimento, partimos del Axioma de que el Universo físico está aislado.

Los axiomas son verdades evidentes por si mismas, son característicos de las ramas formales de la ciencia, que el universo estudiado por las ciencias experimentales, (otras ramas que generan conocimiento), sea un sistema aislado no se sabe, pero es una premisa.

Porque se considera que es probable que sea así, (independiente de que otros universos puedan existir o no), a partir de precisamente la ley de conservación de la energía. Un sistema aislado no tiene intercambio de energía con su entorno. La energía se conserva y sólo se transforma. Es lo que se observa hasta ahora.

Comentarista.