Si alguien te preguntara:
“Si, en una eventual catástrofe, todo el conocimiento científico fuera destruido, y solo enunciado pudiera transferirse a la generación siguiente,
¿cuál sería la oración más importante?”
¿Qué respuesta darías?
Para mí, creo que es la hipótesis atómica que nos dice que “Todas las cosas están hechas de átomos indistinguibles unos de otros; pequeñas partículas en constante movimiento, atrayéndose cuando están a una distancia pequeña, repeliéndose cuando se acercan demasiado” es el conocimiento más importante que debería transmitirse.
Habiendo dicho esto, la termodinámica es un poco más compleja de lo que esta oración indica. Estas son las leyes primarias aceptadas por la comunidad científica (se han sugerido otras, pero aún hay controversias respecto de su inclusión):
- Ley cero de la termodinámica: si dos sistemas termodinámicos se encuentran cada uno en equilibrio térmico con un tercero, entonces están en equilibrio entre sí.
- Primera ley de la termodinámica:
- La energía no puede ser creada ni destruida.
- Solo puede cambiar de forma.
- En cualquier proceso, la energía total del Universo sigue siendo la misma. Para un ciclo termodinámico, el calor neto suministrado al sistema es igual al trabajo neto realizado por el sistema.
- Segunda ley de la termodinámica:
- La entropía de un sistema aislado que no se encuentre en equilibrio tenderá a incrementarse con el tiempo, aproximándose a un valor máximo en el equilibrio.
- Tercera ley de la termodinámica:
- A medida que la temperatura se acerca al cero absoluto, la entropía del sistema se acerca a un mínimo constante.
Imagen cortesía de Journey to the Edge of te Universe
Hoy hablaremos de la entropía.
Actualmente entendemos que la Termodinámica Clásica en su totalidad se puede reducir a una suposición acerca de esta función (esto significa que podemos probar la Primera Ley asumiendo que la 2da es correcta).
En la Termodinámica estadística,Ludwig Boltzmann fue el primero en crear un modelo que diera sentido a esta función en el que esta, la entropía, creciera correctamente.
Entonces, ¿qué es la entropía?
Imagina dos cajas; son tan pequeñas, que solo pueden contener un átomo.
Así, puedes poner dos átomos en ellas {1,2} o {2,1}.
En el caso de los fotones, estos pueden estar uno sobre el otro, entonces puedes tener {12, } y { , 12} como parte de las 4 posibilidades.
Cualquier gran sistema puede fragmentarse en pequeñas cajas de este modo y la entropía de ese sistema es el número de formas en que podemos llenar este gran sistema con partículas N.
Eso es todo.
Pero espera. De esta definición de entropía puede extraerse la ley de los gases ideales. Si tomaras el caso de los fotones, y lo usaras como gases clásicos (porque en este punto no entenderías porqué las partículas cuánticas no quieren apretarse dentro de la misma caja), entonces la ley de los gases ideales luciría así:
PV=kT
Esto indica que la Presión por el Volumen de un sistema es igual a la Temperatura de un sistema gaseoso.
Pero si se la compara con la ecuación de los gases ideales PV=NkT te das cuenta de que te falta algo: N, el número de partículas, un número de alrededor de 10^23 partículas.
Todos los gases ideales colapsarían debido a su pequeñez.
Luego, un día, mientras daba una clase, Bose dibujó por error 3 casos para la luz en lugar de 4. Y el resultado de sus cálculos se ajustó perfectamente a la Ley de Planck para la luz.
Entonces, en lugar de mostrar a sus alumnos la paradoja que tenía preocupados a todos, extrajo una hipótesis de trabajo.
Al intentar publicarla, los editores de revistas científicas no lo aceptaron (“¿Quieres decir que quieres que publiquemos tu error?”).
Frustrado, recurrió a Einstein, quien lo tomó en serio.
Debido a esto, las partículas que pueden ‘apretujarse’ se llaman bosones y el Bosón en el nombre Bosón de Higgs viene de ahí.
Créditos de la imagen: Casperium en DeviantArt
No hemos explicado porqué solo hay 3 casos para los bosones, pero aquí debería desviarme para explicar que, considerando solo 1 caso, obtenemos partículas que obedecen el Principio de Exclusión de Pauli, a las que llamamos Fermiones.
Los electrones y otros constituyentes elementales de la materia son fermiones, mientras que las combinaciones, o partículas que llevan fuerza, tienden a ser bosones.
La razón por la cual hay 3 casos para los bosones y solo un caso para los fermiones se entiende en términos de su indistinguibilidad.
Anteriormente, al etiquetar a las partículas, simplemente hicimos un listado de las posibilidades.
Sin embargo, en la práctica no podemos hacer eso – es imposible diferenciar un electrón de otro.
Lo que sucede es que, en lugar de denominarlos electrón 1 y electrón 2, vemos que solo podemos tener {p,p}.
Para los bosones, podemos tener {pp, }, { , pp} y {p,p}.
La razón por la que los electrones solo pueden aparecer como {p,p} es porque, como se indicó antes, no pueden ser ‘estrujados’ en una única caja.
No solo son indiferenciables, su indistinguibilidad tiene enormes implicaciones físicas.
Pueden tener diferentes energías y más – esto se relaciona claramente con el entrelazamiento cuántico.
Pero ahora podemos dar un paso atrás y considerar las implicaciones filosóficas que esto tiene. No nos referimos a que el hecho de no poder pintar un electrón de azul o algo por el estilo sea una limitación de nuestros aparatos físicos.
De hecho, en el momento en que puedes distinguirlos, como en el caso de He-3 (fermión) y He-4 (bosón, hasta que llegas al límite de compresión, al punto que los efectos de los fermiones constituyentes cobran importancia), entonces éstos operan separadamente.
Esto significa que, no solo nos resulta imposible distinguir entre dos electrones; también es imposible para la naturaleza.
