Cómo tres demonios imaginarios de la física rompieron las leyes de la naturaleza

Hay una larga historia de hacer física mediante la imaginación. Albert Einstein construyó su teoría especial de la relatividad después de imaginarse a sí mismo persiguiendo un rayo de luz. Erwin Schrödinger nos regaló un gato que estaba vivo y muerto. El matemático alemán David Hilbert demostró lo contrario a la intuición del infinito al imaginar un hotel con un número infinito de habitaciones y huéspedes. Al tomarse libertades creativas, los físicos utilizan experimentos mentales para poner a prueba las ideas y así comprenderlas mejor.

Curiosamente, tres de los experimentos mentales más perdurables y desconcertantes involucran lo que se conoce como “demonios”. El más famoso es el demonio de Maxwell, ideado en 1867, que imagina un ser diminuto con poderes extraños pero lógicos. Junto con otros dos experimentos mentales similares (el demonio de Laplace y el demonio de Loschmidt), todavía hoy en día los físicos se rascan la cabeza. Resulta que pensar en estos demonios puede ayudarnos a comprender algunos de los conceptos más complicados de la física.

“Lo emocionante y sorprendente es que los científicos puedan aprender tanto sobre la realidad al adentrarse en estos espacios ficticios”, dice Michael Stuart, filósofo de la ciencia de la Universidad de York, Reino Unido. “Y muchos dirían que la ciencia sería imposible sin ella”.

El demonio de Laplace

El hombre que conjuró nuestro primer demonio fue un erudito francés que trabajaba a la sombra de Isaac Newton. En 1814, Pierre-Simon Laplace planteó una pregunta sencilla: si las leyes de Newton podían predecir cómo caería una manzana, ¿se podría utilizar la misma lógica para predecirlo todo? ¿Qué pasaría si tuvieras un conocimiento perfecto, no sólo de una manzana que cae o de un planeta en órbita, sino de cada partícula, cada objeto, en todas partes? Nos pidió que imaginemos un demonio –aunque la palabra que usó fue “intelecto”– capaz de precisamente eso. Si conociera la posición y el impulso de cada partícula y entendiera las leyes de la naturaleza, entonces podría calcular todo el futuro del universo. “Nada sería incierto”, dijo. “El futuro, al igual que el pasado, podría estar presente ante sus ojos”.

Quizás nunca seamos capaces de construir una máquina con los poderes del demonio de Laplace, pero imaginarla aún puede ayudarnos a detectar cualquier inconsistencia lógica en nuestras teorías. ¿Significa realmente la ciencia que todo, desde los planetas hasta las personas, está predeterminado? Si las leyes de la física fijan todos los resultados, entonces el libre albedrío parecería ser, en el mejor de los casos, una ilusión, un subproducto de nuestra ignorancia.

Afortunadamente, nuestro primer demonio es relativamente fácil de exorcizar. Los físicos tienen razones para creer que ninguna entidad podría jamás tener el conocimiento que se dice que tiene el demonio de Laplace. Para empezar, la teoría de la relatividad especial de Einstein dice que ninguna información puede viajar más rápido que la luz. Eso significa que, aunque algunos eventos pueden afectar tu futuro, no puedes saber nada de ellos en el momento presente. La información sobre esos eventos, que viajan a la velocidad de la luz, simplemente no ha tenido tiempo de llegar a ti, lo que derrota al demonio de Laplace.

E incluso si el demonio pudiera acceder a información de todos los confines del universo, la mecánica cuántica plantea otro obstáculo. Desde la década de 1920, sabemos que no hay manera de estar seguros de la posición de una partícula y de su momento al mismo tiempo, por lo que el demonio simplemente no puede saber exactamente dónde está cada partícula y qué está haciendo. Sólo podría describir las probabilidades de las propiedades de una partícula.

La clara imagen de la realidad partícula por partícula de Laplace es reemplazada por un universo cuántico descrito por una vasta y cambiante función de onda, un objeto matemático abstracto que encapsula todos los resultados que potencialmente podrían suceder. Incluso si un demonio pudiera realizar un seguimiento de todos estos resultados, no sabría cuál eventualmente se volvería real.

El demonio de Loschmidt

Entonces, el demonio de Laplace parece perder los dientes, pero había más experimentos mentales diabólicos por delante. Nuestro segundo demonio surgió en el apogeo de la industrialización. Las máquinas de vapor habían dado nueva urgencia a las cuestiones sobre el calor, la energía y el desorden. El físico austriaco Ludwig Boltzmann intentó explicar la entropía, un concepto resbaladizo que capta cómo los sistemas tienden a volverse más desordenados con el tiempo. Los castillos de arena se desintegran, el hielo se derrite, se forma óxido, etc. Boltzmann creía que podía explicarlo acercándose a la realidad y observando los diminutos componentes básicos de los grandes sistemas, como moléculas individuales de gas que llenan una habitación entera.

Pero su colega mayor, el físico austriaco Josef Loschmidt, tenía dudas sobre este enfoque y planteó un desafío simple pero devastador en 1876. Imaginemos el universo congelado en el tiempo. Cada molécula tiene una posición y dirección de movimiento. Ahora, dijo Loschmidt, invierta la dirección en la que viaja cada partícula. La formulación original de Loschmidt no involucraba un “demonio”, pero las versiones posteriores a menudo agregan uno que de alguna manera puede ver y congelar todas las partículas, principalmente debido a lo que vino después.

El escenario de Loschmidt preocupó tanto a los físicos porque parece presentar una paradoja relacionada con el tiempo. A nivel de partículas, nada parece estar particularmente mal cuando se invierten las direcciones: no se viola ninguna ley de la física. Pero si nos alejamos, los efectos a macroescala serían impensables: los charcos se congelarían formando cubitos de hielo perfectos y las tazas rotas se volverían a unir a medida que el mundo comenzara a jugar al revés. Nos lleva a preguntarnos: si podemos invertir el tiempo de manera trivial en el micromundo, ¿por qué parece que para nosotros sólo funciona en una dirección?

Experimentos posteriores intentarían invertir el tiempo, al igual que el demonio de Loschmidt. En la década de 1950, Erwin Hahn utilizó ondas de radio para empujar brevemente los dipolos eléctricos (como los átomos de hidrógeno en una molécula de agua) para que giraran al unísono, reduciendo temporalmente la entropía del sistema. Esto hizo que pareciera como si el tiempo estuviera corriendo hacia atrás. Entonces, ¿fue el demonio de Loschmidt capaz de derrotar el concepto de entropía?

No exactamente. Ahora entendemos que la entropía no significa que los sistemas deban caer siempre en el caos. Algunos sistemas pueden incluso evolucionar para ser más ordenados en muy poco tiempo. Pero la entropía eventualmente lo conquista todo, como vio Hahn. Una vez que apagó su haz de radio, los dipolos volvieron a caer en desorden.

Entonces, ¿por qué la entropía siempre aumenta? Por lo que podemos decir, el cosmos comenzó en un estado extraordinariamente ordenado: baja entropía, con todas las piezas cuidadosamente ordenadas. Eso le dio sólo un camino por recorrer: hacia el desorden. Simplemente hay muchas más maneras de arruinar un sistema ordenado que de hacerlo aún más ordenado, haciendo más probable el desorden. Esto significa que el demonio de Loschmidt puede, en teoría, invertir la trayectoria de partículas diminutas, pero lo hace contra todo pronóstico.

“El estatus de la segunda ley no es como el de la segunda ley de Newton”, dice la filósofa Katie Robertson de la Universidad de Stirling, Reino Unido. “Tiene esta naturaleza probabilística, como ‘probablemente no lograrás reducir la entropía'”.

Entonces, en última instancia, las leyes de la probabilidad exorcizaron a este demonio, pero no antes de que nos ayudaran a profundizar nuestra comprensión. Boltzmann, en respuesta a Loschmidt, abandonó su enfoque original y adoptó uno basado en la estadística porque captaba mejor esta lógica blanda de la probabilidad. Su pensamiento refinado condujo a la ecuación de Boltzmann, que ahora está tallada en su lápida.

El demonio de Maxwell

El tercer y más famoso demonio llegó en 1867, menos de una década antes de que Loschmidt planteara su desafío, del físico escocés James Clerk Maxwell. Al igual que Loschmidt, estaba interesado en la segunda ley de la termodinámica, pero atacó la idea de que la entropía siempre aumenta desde un ángulo diferente. En lugar de rebobinar el universo, ¿qué pasaría si pudiéramos interferir con él, molécula por molécula? Imagínese un ser entrometido, que más tarde fue descrito como un demonio por físicos como William Thomson, que podría empujar moléculas de gas atrapadas en una caja, dividida por una trampilla. Con el tiempo, podría separar las moléculas que se mueven rápidamente de las lentas, violando la segunda ley.

Me vienen a la mente varias “soluciones” simples. Quizás el demonio tenga que ejercer energía para abrir y cerrar la puerta. Pero, en principio, este “trabajo” podría ser arbitrariamente pequeño. El demonio podría ser tan ligero como quisiera, y la paradoja permanecería.

En cambio, los físicos comenzaron a sospechar que el verdadero costo no estaba en la energía que gasta el demonio, sino en la cantidad de información que tendría que procesar. Mantener un registro de la posición y el impulso de cada molécula parecería requerir algún tipo de memoria. Y resulta que este recuerdo no es gratuito.

En la década de 1920, el físico húngaro Leo Szilard demostró que incluso en una versión simplificada de la configuración de Maxwell, con sólo una molécula rebotando dentro de la caja, un demonio inteligente aún podría extraer trabajo del sistema. Pero para hacerlo, necesitaría observar la molécula y almacenar esa información, lo que, según él, requeriría energía.

Al final algo cede. En la década de 1960, el físico de IBM Rolf Landauer planteó un punto crucial: para que el demonio siga funcionando, debe liberar espacio en su memoria, y ese proceso genera calor, elevando la entropía del sistema. La segunda ley se salva.

Sin embargo, al mismo tiempo los físicos se dieron cuenta de algo crucial: la información era un recurso físico, al igual que la energía. Saber algo sobre un sistema no es sólo una cuestión de contabilidad abstracta. En las condiciones adecuadas, la información puede incluso tratarse como combustible. Después de todo, el demonio de Maxwell de alguna manera convierte la información en trabajo. Hoy en día, el demonio es la mascota de las máquinas que funcionan donde se entrelazan información y energía. Estos “motores de información” no sólo desafían nuestras intuiciones: prometen convertir la lógica del demonio en tecnología funcional. En 2024, los investigadores construyeron una versión cuántica del motor de Szilárd para cargar baterías dentro de una computadora cuántica. En lugar de un demonio, los investigadores utilizaron pulsos de microondas para alejar los qubits más energéticos de los menos energéticos, creando un diferencial de energía que puede funcionar, como una batería.

Todavía están lejos de alimentar su teléfono, pero la esperanza es que estos nuevos y diminutos motores cuánticos puedan ayudar a mover partículas o voltear qubits utilizando información.

Visto así, el demonio de Maxwell no ha sido exorcizado en absoluto. Ha renacido de maneras que Maxwell nunca hubiera imaginado: no como una amenaza a la segunda ley, sino como una guía de las formas extrañas y sutiles en que la naturaleza nos permite explotar la información como recurso físico.

Juntos, estos demonios han puesto a prueba los límites de la teoría y la intuición. Si bien se han mantenido a raya algunas, aparecen nuevas paradojas. Pero estos son demonios que a los físicos realmente no les importan. Estos experimentos mentales diabólicos son una forma querida en la que los científicos amplían los límites de lo que saben.

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