Física de lo imposible (42 page)

No obstante, la búsqueda de la máquina de movimiento perpetuo no ha sido estéril desde un punto de vista científico. Por el contrario, si bien los inventores nunca han construido una máquina de movimiento perpetuo, los enormes tiempos y energías invertidos en construir esa fabulosa máquina han llevado a los físicos a estudiar cuidadosamente la naturaleza de las máquinas térmicas. (Del mismo modo, la búsqueda infructuosa por parte de los alquimistas de la piedra filosofal, que convertía todo en oro, ayudó a descubrir algunas leyes básicas de la química).

Por ejemplo, hacia 1760 John Cox ideó un reloj que podía seguir en marcha indefinidamente, impulsado por cambios en la presión atmosférica. Los cambios en la presión del aire movían un barómetro que hacía girar las agujas del reloj. Este reloj funcionaba realmente y existe hoy. El reloj puede seguir en marcha indefinidamente porque extrae energía del exterior en forma de cambios en la presión atmosférica.

Las máquinas de movimiento perpetuo como la de Cox llevaron finalmente a los físicos a hacer la hipótesis de que tales máquinas solo podían funcionar de manera indefinida si en el aparato se introducía energía desde el exterior, es decir, si la energía total se conservaba. Esta teoría llevó a la primera ley de la termodinámica: la cantidad total de materia y de energía no puede ser creada ni destruida. Finalmente se postularon tres leyes de la termodinámica. La segunda ley afirma que la cantidad total de entropía (desorden) siempre aumenta. (Hablando crudamente, esta ley dice que el calor fluye de manera espontánea solo de los lugares más calientes a los más fríos). La tercera ley afirma que nunca se puede alcanzar el cero absoluto.

Si comparamos el universo a un juego y el objetivo de este juego es extraer energía, entonces las tres leyes pueden parafrasearse de la siguiente forma:

• «No se puede obtener algo por nada» (primera ley).
  
• «Ni siquiera se puede mantener» (segunda ley).
  
• «Ni siquiera se puede salir del juego» (tercera ley).
  

(Los físicos tienen cuidado al afirmar que estas leyes no son necesariamente ciertas en todo momento. En cualquier caso, todavía no se ha encontrado ninguna desviación. Cualquiera que trate de refutar estas leyes debe ir contra siglos de cuidadosos experimentos científicos. Pronto discutiremos posibles desviaciones de estas leyes).

Entre los logros cimeros de la ciencia del siglo XIX, estas leyes están marcadas tanto por la tragedia como por el triunfo. Una de las figuras clave en la formulación de dichas leyes, el gran físico austríaco Ludwig Boltzmann, se suicidó, debido en parte a la controversia que creó al formularlas.

Boltzmann era un hombre pequeño y grueso, con una barba larga y poblada. Sin embargo, su formidable y feroz aspecto no hacía justicia a todas las heridas que tuvo que sufrir por defender sus ideas. Aunque la física newtoniana estaba firmemente establecida en el siglo XIX, Boltzmann sabía que esas leyes nunca habían sido aplicadas al controvertido concepto de los átomos, un concepto que todavía no era aceptado por muchos físicos destacados. (A veces olvidamos que hace tan solo un siglo eran legión los científicos que insistían en que el átomo era solamente un truco ingenioso, no una entidad real. Los átomos eran tan imposiblemente minúsculos, afirmaban, que tal vez no existían).

Newton demostró que fuerzas mecánicas, y no espíritus o deseos, eran suficientes para determinar los movimientos de todos los objetos. Luego Boltzmann derivó de forma elegante muchas de las leyes de los gases a partir de una sencilla hipótesis: que los gases estaban formados por átomos minúsculos que, como bolas de billar, obedecían las leyes de las fuerzas establecidas por Newton. Para Boltzmann, una cámara que contenía un gas era como una caja llena de billones de minúsculas bolas de acero, cada una de ellas rebotando contra las paredes y con todas las demás según las leyes de movimiento de Newton. En una de las más grandes obras maestras de la física, Boltzmann (e independientemente James Clerk Maxwell) demostraron matemáticamente cómo esta simple hipótesis podía dar como resultado leyes nuevas y deslumbrantes, y abría una nueva rama de la física llamada mecánica estadística.

De repente, muchas de las propiedades de la materia podían derivarse de primeros principios. Puesto que las leyes de Newton estipulaban que la energía debe conservarse cuando se aplica a los átomos, cada colisión entre átomos conservaba la energía; eso significaba que toda una cámara con billones de átomos también conservaba la energía. La conservación de la energía podía establecerse ahora no solo por vía experimental, sino a partir de primeros principios, es decir, de las leyes newtonianas del movimiento.

Pero en el siglo XIX la existencia de los átomos aún era acaloradamente debatida, y a menudo ridiculizada, por científicos prominentes, tales como el filósofo Ernst Mach. Hombre sensible y con frecuentes depresiones, Boltzmann se sentía como una especie de pararrayos, foco de los a menudo crueles ataques de los antiatomistas. Para los antiatomistas, lo que no se podía medir no existía, incluidos los átomos. Para mayor humillación, muchos de los artículos de Boltzmann fueron rechazados por el editor de una destacada revista de física alemana porque este insistía en que átomos y moléculas eran herramientas convenientes estrictamente teóricas, y no objetos que existieran realmente en la naturaleza.

Agotado y amargado por tantos ataques personales, Boltzmann se ahorcó en 1906, mientras su mujer y su hija estaban en la playa. Lamentablemente, no llegó a enterarse de que solo un año antes un joven físico llamado Albert Einstein había hecho lo imposible: había escrito el primer artículo que demostraba la existencia de los átomos.

El trabajo de Boltzmann y otros físicos contribuyó a aclarar la naturaleza de las máquinas de movimiento perpetuo, clasificándolas en dos tipos. Máquinas de movimiento perpetuo del primer tipo son aquellos que violan la primera ley de la termodinámica, es decir, que en realidad producen más energía de la que consumen. En cada caso, los físicos descubrieron que este tipo de máquina de movimiento perpetuo basado en fuentes de energía ocultas y externas, o son un fraude, o el inventor no se dio cuenta de la fuente de energía exterior.

Las máquinas de movimiento perpetuo del segundo tipo son más sutiles. Obedecen a la Primera Ley de la Termodinámica —la conservación de la energía— pero violan la segunda ley. En teoría, una máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo no produce calor residual, por lo que es 100 por ciento eficaz.
[91]
Sin embargo, la segunda ley dice que una máquina así no es posible —el calor residual siempre se produce— y por lo tanto, el desorden o caos en el universo, la entropía, siempre aumenta. No importa qué tan eficiente puede ser una máquina, siempre se produce algo de calor residual, con lo cual la entropía del universo aumenta.

El hecho de que la entropía total siempre aumenta está en el corazón de la historia humana, tanto como en la madre naturaleza. Según la Segunda Ley, es mucho más fácil destruir que construir. Algo que se puede tardar miles de años para ser creado, como el gran imperio azteca en México, puede ser destruido en cuestión de meses, y esto es lo que ocurrió cuando una banda de andrajosos conquistadores españoles, armados con caballos y armas de fuego, destrozaron completamente dicho imperio.

Cada vez que miras en un espejo y ves una nueva arruga o una cana estás observando los efectos de la segunda ley. Los biólogos nos dicen que el proceso de envejecimiento es la acumulación gradual de errores genéticos en las células y los genes, de modo que la capacidad de la célula para funcionar poco a poco se deteriora. Envejecimiento, oxidación, descomposición, decadencia, desintegración y colapso son también ejemplos de la segunda ley.

Al comentar la naturaleza profunda de la segunda ley, el astrónomo Arthur Eddington dijo en cierta ocasión: «La ley del incremento continuo de la entropía ocupa, a mi entender, la posición suprema entre las leyes de la naturaleza. [...] Si usted tiene una teoría que va contra la segunda ley de la termodinámica, no puedo darle ninguna esperanza; no le queda otra opción que hundirse en la más profunda humillación».

Incluso hoy, ingenieros emprendedores (y charlatanes ingeniosos) siguen anunciando la invención de máquinas de movimiento perpetuo. Recientemente, el
Wall Street Journal
me pidió que comentara el trabajo de un inventor que había persuadido a inversores para invertir millones de dólares en su máquina. Periódicos financieros importantes publicaron extensos artículos, escritos por periodistas sin formación científica, que hablaban del potencial de esta invención para cambiar el mundo (y generar fabulosos y lucrativos beneficios). «¿Genios o charlatanes?», decían los titulares.

Los inversores pusieron enormes cantidades de dinero en efectivo en ese aparato que violaba las leyes más básicas de la física y la química que se enseñan en la escuela. (Lo que me chocaba no era que una persona tratara de hacer lo imposible —algo que se hace desde tiempos inmemoriales—. Lo sorprendente era que fuera tan fácil para su inventor engañar a inversores adinerados debido a que estos carecían de una mínima comprensión de la física elemental). Yo repetí al
Journal
el proverbio «Un loco y su dinero son fácilmente engañados» y el famoso lema de P. T. Barnum: «Cada minuto nace un incauto». No es muy sorprendente que el
Financial Times
,
The Economist
y el
Wall Street Journal
hayan publicado largos artículos sobre varios inventores con sus máquinas de movimiento perpetuo.

Pero todo esto plantea una cuestión más profunda: ¿por qué son válidas de entrada las leyes de hierro de la termodinámica? Es un misterio que ha intrigado a los científicos desde que las leyes se propusieron por primera vez. Si pudiéramos responder a esta pregunta, quizá podríamos encontrar escapatorias en las leyes, y las implicaciones tendrían el efecto de un terremoto.

Cuando estudiaba en la facultad, me quedé sin habla el día en que finalmente aprendí el verdadero origen de la conservación de la energía. Uno de los principios fundamentales de la física (descubierto por la matemática Emmy Noether en 1918) es que cuando quiera que un sistema posea una simetría, el resultado es una ley de conservación. Si las leyes del universo siguen siendo las mismas con el paso del tiempo, entonces el sorprendente resultado es que el sistema conserva la energía. (Además, si las leyes de la física siguen siendo las mismas si uno se mueve en cualquier dirección, entonces el momento lineal también se conserva en cualquier dirección. Y si las leyes de la física siguen siendo las mismas bajo una rotación, entonces el momento angular se conserva).

Esto fue sorprendente para mí. Comprendí que cuando analizamos la luz estelar procedente de galaxias lejanas que están a miles de millones de años luz, en el mismo límite del universo visible, encontramos que el espectro de la luz es idéntico a los espectros que podemos hallar en la Tierra. En esta luz reliquia que fue emitida miles de millones antes de que la Tierra o el Sol hubieran nacido, vemos las mismas «huellas dactilares» inequívocas del espectro del hidrógeno, el helio, el carbono, el neón, y demás elementos que encontramos hoy en la Tierra. En otras palabras, las leyes básicas de la física no han cambiado durante miles de millones de años, y son constantes hasta los límites exteriores del universo.

Como mínimo, advertí, el teorema de Noether significa que la conservación de la energía durará probablemente miles de millones de años, si no para siempre. Por lo que sabemos, ninguna de las leyes fundamentales de la física ha cambiado con el tiempo, y esta es la razón de que la energía se conserve.

Las implicaciones del teorema de Noether en la física moderna son profundas. Cuando quiera que los físicos crean una nueva teoría, ya aborde el origen del universo, las interacciones de quarks y otras partículas subatómicas, o la antimateria, empiezan por las simetrías a las que obedece el sistema. De hecho, ahora se sabe que las simetrías son los principios guía fundamentales para crear cualquier nueva teoría. En el pasado se pensaba que las simetrías eran subproductos de una teoría —una propiedad de la teoría atractiva pero en definitiva inútil, bonita, pero no esencial—. Hoy comprendemos que las simetrías son la característica esencial que define cualquier teoría. Al crear nuevas teorías los físicos partimos de la simetría, y luego construimos la teoría a su alrededor.

(Tristemente, Emmy Noether, como Boltzmann antes que ella, tuvo que luchar con uñas y dientes por su reconocimiento. Se le negó una posición permanente en las principales instituciones porque era una mujer. Su mentor, el gran matemático David Hilbert, estaba tan frustrado por no poder asegurar un nombramiento docente para Noether que exclamó: «¿Qué somos, una universidad o una sociedad de baños?»).

Esto plantea una pregunta molesta. Si la energía se conserva porque las leyes de la física no cambian con el tiempo, entonces ¿podría esta simetría romperse en circunstancias raras e inusuales? Existe todavía la posibilidad de que la conservación de la energía pudiera violarse en una escala cósmica si la simetría de nuestras leyes se rompe en lugares exóticos e inesperados.

Una forma en que esto podría suceder es si las leyes de la física varían con el tiempo o cambian con la distancia. (En la novela de Asimov
Los propios dioses
esta simetría se rompía porque había un agujero en el espacio que conectaba nuestro universo con un universo paralelo. Las leyes de la física cambian en la vecindad del agujero en el espacio, y así permiten un fallo en las leyes de la termodinámica. De ahí que la conservación de la energía podría violarse si hay agujeros en el espacio, es decir, agujeros de gusano).

Otra escapatoria que se está debatiendo hoy calurosamente es si la energía puede brotar de la nada.

Una pregunta tentadora es: ¿es posible extraer energía de la nada? Los físicos solo han comprendido recientemente que la «nada» del vacío no está vacía en absoluto, sino que rezuma actividad.

Uno de los que propuso esta idea fue el excéntrico genio del siglo XX Nikola Tesla, un digno rival de Thomas Edison. También fue uno de los proponentes de la energía de punto cero, es decir, la idea de que el vacío quizá posea inagotables cantidades de energía.
[92]
Si es cierto, el vacío sería el definitivo «almuerzo de balde», capaz de proporcionar energía ilimitada literalmente a partir del aire. El vacío, en lugar de ser considerado vacío y desprovisto de cualquier materia, sería el almacén de energía definitivo.