El demonio de Maxwell
En Glenlair, Escocia,
caen copos esmeralda sobre las colinas
y, en el horizonte, antes del hundimiento,
la luz centellea sobre la hierba.
Cuando la niebla baja,
empuja al verde leyenda de los prados al infierno
y los árboles tiritan como si todos los espíritus
se hubieran refugiado en las ramas.
Vestido con un kilt,
agazapado entre brezos y cardos,
un ser sonríe malicioso,
buscando violar el segundo principio de la termodinámica,
¿Qué pasaría si hubiera una criatura
lo suficientemente pequeña para ver cada molécula y seguirla?
Nunca sabremos si lo que fuera que imaginó Maxwell
era un demonio, un elfo
o un cancerbero de gases con derecho de admisión;
pero, en secreto, como Lucifer,
la bestia imaginada desafía las leyes del universo y
busca algún tipo de pacto fáustico
para acabar con la irreversibilidad.
Cae la noche en Glenlair,
el halo de la lámpara santifica las sombras,
el calor se disipa
y el té ya no humea en la taza.
¿Puede una ínfima acción revertir el proceso?
Maxwell sienta a su ángel exterminador de la entropía
junto a una puerta, entre el hielo y el fuego,
y le encomienda la tarea de vigilar moléculas.
Como un personaje omnisciente del reino feérico
la criatura las separa
a la siniestra o la diestra del Padre,
unas al mundo gélido, otras al ardiente,
y, en el umbral, asoma la paradoja.
Tras muchas horas ordenando el caos,
exhausto, el demonio pierde la sonrisa,
ha envejecido un siglo.
Por el conocimiento,
la bestia ha pagado un alto precio.
Elena Soto
La imaginación, en ciencia, puede ser un excelente laboratorio para llevar a cabo experimentos difíciles o, directamente, irrealizables por medios empíricos, ayudando a inferir posibles resultados ¿qué ocurriría si…? ¿Y si…?
Estas situaciones hipotéticas han sido muy útiles para abordar problemas científicos introduciendo nuevos factores pero, en ocasiones, los resultados obtenidos desafían al sentido común y nos enfrentan a lo que no puede ser, al menos en ese momento. Estos experimentos mentales alcanzan en la física su máxima expresión y los ejemplos en esta rama de la ciencia son numerosos. Entre los más célebres destaca el demonio de Maxwell.
En 1867 el físico escocés James Clerk Maxwell ideó una criatura que desafiaba la segunda ley de la termodinámica, considerada inviolable, y que afirma “que en un sistema aislado la entropía no puede decrecer”. Este demonio, presentado oficialmente en su libro Theory of heat (1872) y que aborda las limitaciones del segundo principio de la termodinámica, ha servido de acicate e inspiración para generaciones de físicos y, en los últimos años, diferentes investigaciones lo están ‘invocando’ de nuevo.
La segunda ley de la termodinámica, una de las más importantes de la física, se puede formular de muchas maneras, pero todas nos llevan al concepto de irreversibilidad y de entropía; básicamente lo que dice es que todo sistema fuera de equilibrio tiende a desordenarse y que la entropía, como medida de desorden, tiende a aumentar, dicho de otro modo, las cosas tienden siempre a hacerse más desordenadas, y si quisiéramos ordenarlas sería necesario invertir energía en el proceso. En el experimento mental que diseñó Maxwell se preguntaba ¿qué pasaría si hubiera una criatura lo suficientemente pequeña para ver cada molécula y seguirla?
En su laboratorio imaginario habría un recipiente de gas herméticamente sellado y dividido en dos partes por una pared, en la que existiría un pequeño orificio con una trampilla y, controlando el mecanismo, un demonio. La tarea de esta criatura, que puede diferenciar entre una molécula fría y una caliente, es ir abriendo y cerrando la trampilla, cuando sea necesario, para separarlas, de forma que, las frías las pasa a un lado y las calientes al otro. El resultado es que acumularía las moléculas de gas caliente en un compartimento y las de gas frío en el otro. Si se realiza el cálculo de la entropía antes y después, lo que se ve es que ésta disminuye, algo que va en contra de la segunda ley de la termodinámica.
Esta paradoja fue explicada, al menos en parte, por Leo Szilard, a finales de los años 20. Este físico le atribuyó al demonio un papel activo, incluyéndolo dentro del sistema. El proceso de adquisición de información requiere un gasto energético y, para operar, el demonio necesita información, y su obtención cuesta lo suficiente como para que la segunda ley de la termodinámica no sea violada.
Con el desarrollo de la computación, y casi un siglo después de que Maxwell ideara su diablo, se comienza a pensar en la información como forma de energía y fue, precisamente, un científico que investigaba en IBM, Rolf Landauer, el que resolvió esta aparente paradoja, cuando propuso que la clave estaba en la memoria del demonio, que no podía ser infinita, postulando que el simple acto de borrar información de un sistema físico debía disipar una mínima cantidad de energía al entorno.
Un bit, la unidad fundamental de información, puede representar un 1 o un 0, Landauer se dio cuenta que al reemplazar 0 por un 1 no costaba energía si el proceso podía revertirse, pero si éste era irreversible, siempre se producía alguna pequeña cantidad de calor. Mientras el demonio pudiera guardar la información en su memoria, no consumiría energía, pero cuando su memoria se llenara, tendría que borrar parte de la información y este borrado aumentaría la entropía del sistema, disipando el calor necesario para restablecer el segundo principio de la termodinámica.
Ya, en el siglo XXI, este diablo hipotético ha saltado al mundo cuántico y continúa siendo objeto de investigación. La pregunta es ¿se puede implementar un demonio de Maxwell a nivel cuántico? “Hasta ahora la mayoría de investigaciones se han llevado a cabo en sistemas clásicos, pero en los últimos años se están intentando hacer propuestas, tanto teóricas como experimentales, de cómo funcionaría esta entidad en un sistema cuántico”.
Esta entrada es mi aportación al tema ¿Y si…? de #polivulgadores de @hypatiacafe.
Poem to Maxwell’s demon
In Glenlair, Scotland,
emerald flakes fall over the hills
and, on the horizon, before the sinking,
the light sparkles on the grass.
When the fog comes down,
pushes the green legend of the meadows to hell
and the trees are shivering as if all the spirits
had taken refuge in the branches.
Dressed in a kilt,
crouched among heather and thistles,
a being smiles maliciously,
seeking to violate the second principle of thermodynamics,
What if there was a creature
small enough to see every molecule and follow it?
We will never know if whatever it was that Maxwell envisioned
was a demon, an elf
or a gas cancerber with the right of admission;
but, secretly, as Lucifer,
the imagined beast defies the laws of the universe
and seeks some kind of Faustian pact
to put an end to irreversibility.
Night falls in Glenlair,
the halo of the lamp sanctifies the shadows,
the heat dissipates
and the tea no longer steams in the cup.
Can a tiny action reverse the process?
Maxwell sits his exterminating angel of entropy
next to a door, between ice and fire,
and entrusts it with the task of monitoring molecules.
As an omniscient character from the feerical realm.
the creature separates them
to the left or right hand of the Father,
some to the icy world, others to the fiery one,
and, on the threshold, the paradox emerges.
After many hours of sorting through the chaos,
exhausted, the demon loses his smile,
has aged a century.
For the knowledge,
the beast has paid a high price.
Elena Soto.
establo Pegaso 