Una breu i atzarosa història de la vida

Un flux unidireccional

Només coneixem un camí entre el passat i el futur. Entre l’ahir i el demà. Aquest camí és el temps, o, més ben dit, el pas del temps. A cada granet que cau dins el nostre rellotge de sorra, el futur es converteix en passat. Aquesta transició, que transforma desconeguts instants de futur en fragments inqüestionables de passat, és el que anomenem la fletxa del temps.

La fletxa del temps avança irremeiablement. No la podem aturar. Els dies passen, un rere l’altre, i envellim. Encara no s’ha observat mai el fenomen contrari, que el temps passi cap enrere, un procés espontani de rejoveniment que ens retorni a la infantesa, al mateix moment del naixement i més enrere encara.

Per què? Per què l’únic camí que constatem és cap endavant? Sembla una pregunta ben innocent, però no ho és gens.

La causalitat és la base del funcionament del nostre univers, de la nostra vida. La causalitat ve a dir que els efectes que veiem ara han tingut una causa abans. Trobem els vidres trencats a terra perquè el got ha caigut, ja que anteriorment era sobre la taula. Les restes d’un castell de sorra a la platja ens parlen d’una construcció que existia sencera però que ha sigut colpejada per les ones. Morim perquè abans hem nascut. La causalitat ordena els esdeveniments en el passat, i fins i tot permet fer prediccions més o menys probables sobre el futur.

Entre molts altres processos químics, tots aquells que componen la vida requereixen la causalitat: des de les reaccions que generen l’energia necessària per al funcionament dels nostres òrgans, fins a les que alliberen hormones, envien impulsos elèctrics o canvien les concentracions d’ions i ens fan pensar, recordar, moure’ns, riure o estimar.

Sense una fletxa del temps que sempre avancés, no tindríem causalitat. Els vidres de terra podrien aixecar-se i refer espontàniament un got. Els grans de sorra de la platja s’ordenarien màgicament per regalar-nos un castell. I moriríem sense haver nascut. La fletxa del temps és, per tant, una condició indispensable per a la vida.

El més sorprenent, però, és que aquesta irreversibilitat del temps no està forçada per cap de les lleis físiques que coneixem. No hi ha res, en la física de Newton, en les dues relativitats d’Einstein, o fins i tot en l’enigmàtica mecànica quàntica de Plank i Schrödinger que digui que la lletra t, que es refereix a la variable temps, només pugui saltar cap endavant. Qualsevol de les fórmules d’aquests grans models físics amb els quals intentem entendre la natura permeten, almenys matemàticament, que el temps pugui avançar o retrocedir.

Però el cert és que qualsevol de nosaltres trobarà perfectament natural una seqüència d’imatges que mostri una pilota rebotant contra terra repetidament, perdent alçada cada cop fins que finalment s’atura. I en canvi detectarem ràpidament l’engany si ens passen la mateixa seqüència a l’inrevés, amb la pilota rebotant amb més força, més amunt, partint d’una posició de repòs sobre el terra.

Què és el que fa que el temps vagi només endavant, almenys en totes les circumstàncies i esdeveniments que coneixem, es produeixin aquí a la Terra o allà fora al cosmos?

El lector em perdonarà si ara confesso que la frase anterior, on deia que cap de les lleis físiques conegudes condiciona la direcció del temps, no era totalment certa. Sí que hi ha un lloc a la física, un únic lloc, on el futur ha d’anar sempre per davant del passat.

L’univers que volia augmentar el caos

El segle XIX va ser gloriós per a una part de la ciència que anomenem termodinàmica, que bàsicament estudia els processos físics i químics implicats amb la calor i l’energia.⁵

Entre els grans noms que destaquen d’aquella època, es troba un físic i enginyer francès de nom Sadi Carnot. Preocupat per entendre com maximitzar l’eficiència de les recentment inventades màquines de vapor, Carnot va fer una troballa que marcaria el desenvolupament de la termodinàmica. En concret, va veure que qualsevol màquina, per perfecta que fos, patia una pèrdua de calor durant el seu funcionament. Es podia dissenyar la màquina de forma que reduís aquesta pèrdua, però mai fins a eliminar-la del tot. Aquesta calor perduda es dissipava a l’aire, i, potser el més important de la troballa, aquest fet no era reversible. És a dir, no hi havia forma natural, espontània, que el procés de pèrdua de calor es produís en sentit contrari. En altres paraules, un cop perduda, la calor (que significa, en el fons, energia malbaratada) ja no es podia recuperar.

L’any 1850, un altre científic francès, Émile Clapeyron, analitzant aquestes pèrdues de calor, va fer un segon pas fonamental, en elevar al rang de llei de la natura un fet aparentment sense més transcendència i amb el qual convivim des que arribem a aquest món: sempre, absolutament sempre, en un sistema aïllat i sense més intervenció externa, la transferència de calor es produeix des del cos més calent cap al més fred. Durant el procés, el primer es va refredant alhora que el segon s’escalfa, i la transferència s’atura quan tots dos cossos queden exactament a la mateixa temperatura.

Potser ara mateix t’estàs preguntant a què condueix aquesta descoberta, que avui ens sembla tan natural i simple. Com de vegades passa amb la ciència, troballes que semblen insignificants acaben generant una veritable revolució del pensament.

La part que més ens interessa notar en aquest llibre del que va trobar Clapeyron és que aquest flux de calor és sempre unidireccional. De forma natural, mai s’ha observat el funcionament en sentit contrari, és a dir, que un objecte fred cedeixi calor a un de calent per refredar-se encara més.⁶

En aquells moments, Clapeyron va definir una nova entitat física, que va anomenar entropia. L’entropia era el sumatori total de cada transferència de calor, dividida per la temperatura, produïda al llarg d’un procés. I llavors va postular que, en un sistema aïllat, els processos evolucionen sempre de manera que l’entropia creix (és una manera més elegant d’explicar el que deia Carnot sobre la pèrdua de calor en una màquina, i també equival exactament a afirmar que la transferència de calor progressa sempre des del cos més calent al més fred).⁷

La formulació de l’augment de l’entropia es coneix com el segon principi de la termodinàmica, una de les lleis aparentment inviolables de la natura, segurament una de les més importants que tenim. La natura tendeix sempre a fer créixer l’entropia.

Per seguir avançant en la comprensió de la transcendència del que estem dient, necessitem emprar la imaginació com si fos un potentíssim microscopi que ens permeti observar la natura a petita escala, tal com va fer un importantíssim físic austríac, de nom Ludwig Boltzmann. Armats amb aquest poderós instrument, inspeccionarem el que està passant quan els dos objectes, calent i fred, es posen en contacte.

Si enfoquem la ment sobre el cos més calent, podrem observar miríades de partícules movent-se, agitant-se inquietes, amb espasmes aleatoris. Allò que sembla sòlid es converteix, sota l’augment del microscopi imaginari, en un immens conjunt d’àtoms i molècules vibrant, desplaçant-se i xocant entre elles. Si ara ens centrem en l’objecte més fred, notarem de seguida la diferència. També certifiquem l’existència d’una realitat microscòpica complexa, tumultuosa i aleatòria. Però en aquest cas, i a diferència de la visió anterior, els àtoms que observarem es mouen de forma molt més lenta.

La realitat és que les partícules constituents de la matèria estan sempre en moviment, en trajectòries aleatòries impossibles de preveure de manera individual i que tan sols poden ser estudiades estadísticament. Llavors, allò que anomenem temperatura no és més que una mesura del moviment mitjà de les partícules d’un objecte. Com més calent està l’objecte, més ràpid s’agiten els seus components microscòpics.⁸

Ara ens és més senzill entendre el segon principi de la termodinàmica. Les partícules de l’objecte més calent es mouen amb més rapidesa i xoquen amb els àtoms del cos fred, transferint-los part de l’energia de moviment, és a dir, escalfant-los. Quan els moviments dels grups de partícules s’igualin, el sistema haurà assolit el que anomenem equilibri tèrmic, exactament la mateixa temperatura.

El genial Boltzmann ens va obrir els ulls a una realitat microscòpica formada per batibulls de partícules en moviment constant, un embolic tan important que és una ximpleria seguir el comportament individual d’una sola de les partícules, simplement perquè aquest comportament és irrellevant des del punt de vista de les propietats globals de l’objecte i, a més, perquè seria extraordinàriament complicat fer-ho. En canvi, Boltzmann ens ensenya que podem derivar propietats i comportaments de la matèria partint d’una anàlisi estadística dels seus constituents.

Amb la seva ment estadística, Boltzmann va demostrar que el concepte d’entropia de Clapeyron representava, en realitat, el nombre de vegades que es poden reordenar els components microscòpics d’un sistema sense que ho puguem distingir. Aquesta reformulació del segon principi de la termodinàmica ja no només parla de la pèrdua d’energia de Carnot, o de la transferència de calor de Clapeyron, sinó, ni més ni menys, que de l’ordre (o, més ben dit, del desordre) a la natura: de com podem reordenar els àtoms d’un sistema i obtenir un altre sistema absolutament equivalent i indistingible del primer. Així, d’un sistema en què puguem moure els components microscòpics de moltes maneres sense que el conjunt variï en direm que té una gran entropia. I, si ens hi fixem, des d’aquesta perspectiva hi ha ben poca diferència entre dir «gran entropia» o «gran desordre».

Ens hem d’aturar un moment en aquest punt, ja que és trencador, i, com veurem de seguida, la causa final que existeixi un temps que va endavant i, per tant, de la nostra pròpia existència. El segon principi de la termodinàmica, emprant aquesta entropia que equival al nivell de desordre, i conservant l’enunciat original que deia que l’entropia sempre creix, es converteix en una afirmació brutal, que estableix que la natura tendeix sempre a la màxima entropia, és a dir al màxim desordre!⁹

Amb aquest coneixement, retornem per un instant als dos objectes en contacte, un calent i l’altre fred. Inicialment, just abans del contacte, quan observem amb el nostre microscopi mental els seus àtoms en moviment, atribuirem al conjunt una qualificació d’ordenat. En definitiva, les partícules que es mouen a més velocitat es troben totes concentrades en l’objecte calent, posem per cas el situat a la dreta, i les més lentes a l’esquerra en el fred.¹⁰ Però a penes una estona després del contacte, el sistema s’haurà començat a desordenar, amb àtoms que comencen a moure’s més ràpids mesclats amb altres més lents arreu, a mesura que la calor es transfereix des del cos calent cap al fred. Finalment, assolit l’equilibri tèrmic, i ja sense flux de calor, no podrem distingir on eren originàriament els àtoms ràpids i els lents. És més, podrem agafar imaginàriament¹¹ un àtom qualsevol i moure’l de posició sense que ningú ho pugui notar, perquè tots seran equivalents. Podrem fer un immens nombre de moviments, de reordenacions, sense que en realitat canviï res. És a dir, haurem assolit un estat de gran entropia. De gran desordre.

Clapeyron ja ens havia avisat que el mecanisme de transferència de calor havia d’avançar en una única direcció. I Boltzmann ens diu ara que aquesta direcció unívoca és la del desordre.¹²

Ja tenim fletxa del temps! Un temps que sempre avança cap al caos. La tendència del nostre univers d’augmentar el grau de desordre és el que permet el flux del temps cap endavant.

Ara, amb aquesta importantíssima deducció, podem repassar alguns dels símils que hem emprat anteriorment des de la perspectiva de l’entropia i del desordre. Així, el castell de sorra no seria més que una realitat molt més ordenada, és a dir, amb menys entropia, que quan els grans de sorra es troben dispersats per la platja (un estat de més desordre, de més entropia). L’objectiu que sembla que té la natura d’augmentar l’entropia és el que farà que el destí evolutiu d’una construcció de sorra a la platja sigui acabar en el desordre més absolut, per a frustració del jove constructor. I aquesta mateixa tendència és la que fa que el temps corri en la direcció del desordre, de la destrucció progressiva del castell. És la que li dona direcció unívoca al temps, la que ens permet parlar de passat i futur.

Estarem d’acord que el nostre cervell curtcircuitaria si veiéssim els vidres del got trencat aixecar-se espontàniament de terra i ajuntar-se per recuperar el got original. Seria un esdeveniment contra natura, que aniria del desordre a l’ordre, que disminuiria l’entropia, que violaria el segon principi de la termodinàmica. Que trencaria la causalitat. I això només ho podríem aconseguir aportant energia al sistema, fent una despesa.¹³

La reconstrucció del castell també necessitarà una despesa, una intervenció externa: les mans i l’habilitat d’un nen, que s’ocuparà de la restauració del monument a la platja. Però ara el sistema ja no estarà format només pel castell, la sorra, la platja, el sol, el vent i les onades: s’hi haurà incorporat un nen. Malgrat que, aparentment, amb la seva dedicació l’ordre de la sorra tornarà a créixer, perquè es formarà un castell, el nou sistema en conjunt (que ara inclou el nen) haurà augmentat el desordre, tal com marca l’ortodòxia termodinàmica. Aquest augment de l’entropia vindrà determinat, entre altres coses, per la despesa energètica del jove, les cèl·lules del qual consumiran nutrients per alimentar els músculs. En aquest procés metabòlic es generarà calor, i part d’aquesta calor es dissiparà a l’aire, cosa que crearà un estat clarament més desordenat que quan les seves reserves d’energia estaven contingudes dins les estructures moleculars dels sucres mentre circulaven per la sang.

Resumint, la natura, almenys tal com assenyala la comprensió que en tenim, es veu obligada a dirigir-se sempre des d’un passat cap a un futur en què l’entropia és màxima. És gràcies a aquesta mania de la natura, a la necessitat d’augmentar el desordre, el caos, que existeix un temps que sempre va endavant. Que existeix la causalitat que fa que existeixin les coses. Que fa que existim.

El petit dimoni enemic de la termodinàmica

A mitjan segle XIX, el físic escocès James Clerk Maxwell va imaginar una hipotètica manera de violar el segon principi de la termodinàmica. Ho va fer amb un experiment mental, intentant veure on el conduïa.

Imaginem una capsa dividida en dues seccions per una paret, la qual té un petit orifici que permet comunicar els dos costats del receptacle. Carreguem de gas la capsa i esperem. Segons el segon principi i l’entropia, el sistema acabarà en un perfecte equilibri, amb el gas distribuït uniformement per la caixa, i les molècules movent-se totes a la mateixa velocitat.

Però ara hi situem un petit dimoni controlant el forat. Aquest malvat personatge pren decisions en funció de les molècules de gas que li arriben. Quan es troba amb una molècula un xic més ràpida que la mitjana, la deixa passar al costat esquerre. Similarment, va deixant que les molècules més fredes, és a dir, més lentes, s’agrupin al costat dret. Al final, el sistema mostra just el contrari del comportament normal: un estat de més baixa entropia, de menys desordre. El diable hauria tombat el segon principi de la termodinàmica!

L’exercici serveix per adonar-se que ara el sistema inclou també el petit diable, i que per tant el còmput d’entropia s’ha de fer incorporant-lo a les equacions. Com que no sabem com funciona entròpicament un diable, i encara menys si és nan, podem intuir que, per tal d’acomplir la seva tasca, el malvat operari del forat haurà hagut de fer una despesa energètica, segurament per mesurar la velocitat de les molècules que se li apropen, i també per accionar el mecanisme d’obertura de l’orifici. I, per descomptat, per emmagatzemar d’alguna manera (potser a la seva memòria mil·lenària o en algun dispositiu diabòlic) el coneixement sobre les velocitats que es van acumulant a una i altra banda.

La qüestió és que aquesta despesa energètica haurà fet augmentar la temperatura del sistema (capsa, gas i diable), més que compensant la reducció d’entropia que genera ordenar les molècules del gas. Presentat d’aquesta manera, i resolt així, l’exercici mental resulta senzill. S’ha de dir, però, que han estat molts els científics que hi han reflexionat, intentant deduir quines propietats hauria de tenir el dimoniet per aconseguir violar el segon principi, o, més ben dit, què fa que a la natura no haguem observat mai aquesta violació.¹⁴

Per què?

Hem vist com el segon principi de la termodinàmica ens condueix directament al concepte de la fletxa del temps. I, al seu torn, l’existència d’una fletxa del temps comporta una deducció immediata: per força, el passat de l’univers havia de ser més ordenat que l’estat actual o que el futur. Si no fos així, el temps no avançaria, sinó que retrocediria.

En altres paraules, el Big Bang havia de ser obligadament un estat molt més ordenat, de menys entropia, que l’univers actual. És aquest fet, la diferència d’entropia entre l’univers primigeni i l’actual, el que obre el canal pel qual circula el flux del temps, com l’aigua que cau des del dipòsit superior ple cap a l’inferior, buit.

Perquè... què passarà quan el cosmos hagi assolit un estat de màxim desordre, de màxima entropia? Doncs en aquest estat final, d’equilibri perfecte, el temps deixarà d’estar condicionat a fluir en un sol sentit. En realitat, simplement deixarà de fluir, ja que no succeirà res.¹⁵ El demà passarà a ser perfectament predictible, idèntic a l’ahir. Passat i futur es fondran.¹⁶ Tot això, és clar, si el cosmos no ha trobat una forma d’augmentar sense aturador la seva entropia, sense arribar mai a un valor màxim, en un desenvolupament sense fi que permeti que el temps segueixi fluint. Aquesta qüestió, lligada a una possible (i probable, segons les dades que tenim sobre la taula) expansió eterna de l’espai, genera actualment molt debat dins la comunitat científica.

Però la pregunta clau, entre totes, és sens dubte la següent: per què el nostre univers va néixer amb una configuració tal que el feia més ordenat? No podria haver-se creat, fins i tot amb més probabilitat encara, desordenat?¹⁷ Si hagués passat això, no tindríem fletxa del temps cap endavant.

Una possible resposta ens la dona una visió antròpica de la qüestió. Segons aquest principi, ens podem espolsar de sobre la pregunta anterior contestant que ha d’haver estat així per força, simplement pel fet que existim. La nostra pròpia existència justificaria, per tant, que de totes les possibles configuracions inicials que podria haver triat la natura per construir el nostre univers hagués seleccionat precisament aquella que ha fet possible que estiguem aquí observant un univers que sempre avança en una única direcció i reflexionant sobre el perquè. O, vist d’una altra forma, en qualsevol altra configuració, que podria ser que hagués existit, simplement no hi seríem i, per tant, no estaríem observant cap univers ni reflexionant sobre res en absolut.

Per a molts, però, la visió purament antròpica és poc satisfactòria. En efecte, estaríem més confortables si fóssim capaços de trobar una explicació científica basada en lleis fonamentals, en fórmules, i no només en el sol fet de la nostra existència. Però hem d’admetre que no en tenim, de resposta.¹⁸ Hem de conformar-nos a acceptar que la natura va triar un moment zero en què regnava un estat de més ordre, amb l’energia del nostre univers concentrada en un espai molt reduït que es va començar a inflar enormement amb el procés d’expansió.

De la mateixa manera que deixem oberta la inquietant pregunta de per què havia de començar així l’univers, hem de rendir-nos, de moment, davant la que ens qüestiona per què l’entropia, el desordre, té un paper tan determinant. I, en definitiva, com és que cap de les formulacions físiques que hem construït els humans, almenys fins ara, obliga el temps a anar endavant, més que una innocent fórmula que hem batejat com a segon principi de la termodinàmica i que va començar simplement com un intent per perfeccionar la màquina de vapor.

A hores d’ara, i sempre amb la humilitat que ens hem d’imposar veient les nostres limitacions per interpretar i conèixer la natura, no tenim més remei que assumir que sense un univers perfectament dissenyat per fer créixer sense parar un concepte que hem anomenat entropia, que representa el caos, i sense un estadi inicial, un moment zero, molt més ordenat que l’actual, no tindríem fletxa del temps.

I sense fletxa del temps no hi hauria cap text a llegir, ni cap lector disponible per poder-ho fer.