CALOR, TIEMPO, IGNORANCIA Y AZAR por el Prof. Dr. D. Alberto Requena Rodríguez, académico de número

La Ciencia tiene varios apartados, zonas, áreas o como queramos llamarlas. No son otra cosa que partes dedicadas al estudio y adquisición de conocimiento. Una de ellas se ocupa de las cosas graves, las profundas, las que condicionan a las demás, por su alcance. La relatividad, la teoría de los cuantos, las partículas elementales, el Cosmos, etc. son algunas de ellas. Sorprendentemente otras, las categorizamos en otro capítulo, como más cotidianas, más cercanas, pero ello no implica que no sean tan profundas o más que algunas de las divas señaladas. Todo el mundo parece saber qué es el calor. A fuerza de usarlo, se nos hace próximo. Pero la cosa no es tan así. Encierra uno de los aspectos fundamentales de la Naturaleza. Veamos.

Hasta el siglo XIX se pensaba, asociado quizás a la idea subyacente en la teoría de la gravedad clásica en la que Newton, nunca desveló, pero supuso que la transmisión de la fuerza entre dos masas se efectuaba desde ese campo gravitatorio supuesto y nunca explicitado. En el caso del calor se suponía una especie de fluido, denominado calórico. Hasta Maxwell y Boltzmann no se entendió la entraña del calor. La intimidad del calor no se reduce a una sustancia que contiene el fluido calórico sino una sustancia cuyos átomos o moléculas se mueven más deprisa. La estructura energética interna de moléculas supone que se desplazan, rotan y vibran y sus electrones se sitúan en distintos niveles energéticos. En el caso de los átomos solamente se desplazan y los electrones ocupan sus estados posibles. Fría la materia implica que sus componentes, átomos o moléculas, se mueven despacio y cuando se les caliente lo hacen más deprisa. Una excelente y bella teoría que además permite un tratamiento cuantitativo.

Pero la pregunta fundamental en la esfera del calor es la constatación empírica de que el calor siempre va del cuerpo caliente al frío. La comida que elaboramos al fuego, dejada al ambiente va cediendo calor hasta que se acomoda al del entorno. Nunca ha ocurrido que dejada la olla encima de la mesa, con los ingredientes crudos, tome calor del medio y se cueza. ¿por qué ocurre así? ¿por qué el calor va desde el objeto caliente al más frío? Rovelli introduce ahora un aspecto audaz y de alcance: es una pregunta crucial, porque afecta a la naturaleza del tiempo. Nos hace reparar en que en todos los casos en que NO se intercambia calor, o cuando es insignificante, el futuro y el pasado se comportan de igual forma. Pone ejemplos, en el movimiento de los planetas del sistema solar la cantidad de calor puesta en juego es insignificante. Y el movimiento podría producirse al revés y no se violaría ninguna ley física. Pero cuando hay calor, el futuro difiere del pasado. En un péndulo se ejemplifica extraordinariamente bien. Si no hay fricción, la oscilación es por tiempo indefinido; si hay fricción, se produce calor y el péndulo se calienta, pierde energía, se ralentiza y detiene. El futuro, en este caso, no coincide con el pasado. No se le puede hacer girar al revés; nunca ha ocurrido que un péndulo parta del reposo e inicie la oscilación. El calor que fluye del cuerpo caliente al más frío es el que nos hace distinguir el pasado del futuro.

La cuestión es ¿Cuál es la razón de que esto sea así? Aquí viene la aportación genial de Boltzmann: el azar. Es una forma de expresarlo, porque podríamos haberlo formulado diciendo que es nuestra ignorancia. Veamos: Boltzmann introduce la idea de probabilidad (que no tiene nada que ver con la derivada de la Cuántica). Boltzmann matiza el enunciado empírico de que el calor fluye de los cuerpos calientes s los fríos al proponer que esto obedece a una ley absoluta cuyo enunciado correcto sería que este fluir del caliente al frio es con una gran probabilidad. Esto implica que no se niega que pueda el calor fluir del cuerpo frio al caliente, pero que su probabilidad es muy baja.

La clave la tiene el proceso de colisiones que tienen lugar entre átomos y moléculas comportándose al azar y desplazándose libremente por el espacio. En las colisiones hay cesión de energía. No es imposible que un cuerpo adquiera calor en una colisión con uno más frio, otra cosa es que sea muy poco probable. La probabilidad que introduce Boltzmann está, en cierta medida relacionada con nuestra ignorancia, dado que asignamos probabilidad de ocurrencia cuando no sabemos muy bien de qué se trata. La lluvia pronosticada para mañana con un 10% indica eso, ignorancia que impide afirmar con certeza. Ocurre con muchas cuestiones físicas y químicas, naturales. Al nivel en el que estamos ahora, no conocemos los detalles de la posición de las moléculas de un gas desplazándose en el interior de un recinto y eso nos impide predecir con certeza qué ocurrirá y cómo. Pero si puedo asignar una probabilidad y si calculo la probabilidad de ceder calor del cuerpo caliente al frío, veo que es muy superior a la del proceso contrario.

Cabría matizar la cuestión de nuestra ignorancia, ya que los procesos ocurren al margen de lo que podamos o no conocer de ellos. Los cuerpos siguen las leyes de la Naturaleza. Nosotros solamente conocemos determinadas partes o facetas de su comportamiento. Por ello, la probabilidad no afecta a la evolución de los cuerpos en sí, sino a la evolución de los valores de determinadas subclases de propiedades de los cuerpos cuando interaccionan con otros. Rovelli, muy agudamente ejemplifica esta parte con el ejemplo de la cucharilla que se caliente en contacto con el café caliente. La interacción del sistema que componen ambas con nosotros se limita a un pequeño número de variables, entre las numerosas que caracterizan ese sistema, en el caso que nos ocupa, apreciamos la temperatura. Pero el valor de esta variable no es suficiente para poder predecir el comportamiento futuro de tal sistema, aunque si es suficiente como para predecir que hay una probabilidad elevada de que la cucharilla se caliente. La ignorancia, también juega su papel. ¡No iba a ser menos!