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       Artículo de ciencia

La Muerte Térmica del Universo: un posible destino final, de la mano de Asimov


 Física / Astronomía
José Manuel Uría   11/12/2014
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     Os mostramos el desarrollo científico de una de las teorías del posible destino del Universo: la Muerte Térmica del Universo o Big Freeze.
Isaac AsimovMuchos especialistas en literatura de ciencia ficción consideran “La última pregunta” como uno de los mejores relatos de Isaac Asimov, y justifican su inclusión en la lista de los mejores relatos de ciencia ficción de todos los tiempos. En él, Asimov aporta una visión del futuro lejano de la vida en el universo en uno de los relatos clásicos de la ciencia ficción escatológica, pues el relato plantea un escenario sobre el futuro de la vida en el universo compatible con la literatura científica. De 1956, cuando fue publicado, y de ahora. Y eso intentaré mostrar en lo que sigue.

“La última pregunta” narra el proceso mediante el cual, en diversos estadios de la evolución humana, la inteligencia artificial llamada Multivac intenta responder a la pregunta: ¿Es posible vencer al Segundo Principio de la Termodinámica, que predice un aumento constante de la entropía? La entropía es una magnitud física abstracta que da cuenta de la cualidad de la energía, de modo que mide cuál es la disposición de energía libre para la realización de un trabajo. Un alto grado de entropía implica poca disposición de energía libre, de modo que caracteriza una muy baja cualidad de la energía útil en un sistema físico. Además, la entropía también describe el grado de orden existente en el sistema, de modo que un alto grado de entropía implica desorden.

El Segundo Principio de la Termodinámica, que muchos autores anglosajones denominan la Segunda Ley, en una de las leyes científicas mejor asentadas en la historia del pensamiento científico. Establece que, cuando se considera un sistema aislado en el que no hay entrada o salida de flujos de materia y energía, la entropía aumenta con el paso del tiempo hasta alcanzar un estado de equilibrio termodinámico, en el cual la entropía es máxima. En un estado de equilibrio termodinámico la cualidad de la energía es mínima, no hay energía libre disponible para realizar un trabajo, y el grado de desorden molecular es máximo. Un sistema vivo, que sobrevive alimentándose a partir de flujos de materia y energía, y que genera constantemente entropía con sus procesos metabólicos, no puede vivir indefinidamente en un sistema aislado.

Esto plantea automáticamente el argumento de la Muerte Térmica del Universo. ¿Qué ocurre si consideramos nuestro universo como un sistema aislado? La Segunda Ley implica el aumento constante de la entropía. Si el valor máximo de entropía que puede alcanzar el universo es finito, el máximo se ha de alcanzar en un tiempo finito. En ese estado de equilibrio termodinámico del universo no ocurrirá nada de interés, y desde luego no podrá existir la vida. A ese estado se le denomina la Muerte Térmica del Universo. El primero en sugerir este destino lúgubre para la vida fue el físico Lord Kelvin, a mediados del siglo XIX, aunque refiriéndose en primer lugar al destino del Sistema Solar y no del conjunto del universo. La hipótesis de la existencia de una muerte térmica fue ampliada por otros físicos como Clausius o Helmholtz.

Pero la muerte térmica no es una consecuencia inevitable de las leyes termodinámicas. Algunos físicos han negado la validez de la aplicación ingenua de dichas leyes al conjunto del universo. Otros han negado la existencia de un máximo finito para la entropía del universo. El físico francés Pierre Duhem negaba la inevitabilidad de la Muerte Térmica en el caso de que la entropía del universo pudiese variar de menos infinito a más infinito. Todo dependería de las condiciones iniciales y de contorno de nuestro universo.

Big Freeze o Muerte térmica del Universo, uno de sus posibles destinos

A día de hoy la cuestión de la existencia de la Muerte Térmica no está clara. Aún no se conoce con suficientemente profundidad la termodinámica de los campos gravitatorios, y esto es crucial cuando se tiene en cuenta la expansión del universo, hecho que no era conocido por los físicos victorianos. El físico Steven Fraustchi demostró que la fusión de agujeros negros, en un universo con tasa de expansión constante, podría suponer que el valor máximo de la entropía del universo no se alcance en un tiempo finito, aunque las condiciones para ello son muy especiales y no se correspondan con las reales del universo. También modelos cosmológicos que incluyan un campo de energía oscura podrían dar lugar a escenarios de evolución futura del universo sin Muerte Térmica. Aunque no se correspondan con las observaciones cosmológicas, estos modelos sugieren que la predicción de la Muerte Térmica es una cuestión aún no resuelta de la física moderna.

Cuando Asimov escribió su relato la expansión acelerada del diverso no era conocida. Se pensaba que los escenarios más probables de evolución cósmica serían o bien un expansión constante en un universo plano, o alternativamente, ciclos de expansión y contracción de un universo cerrado. En “La última pregunta” se considera la primera posibilidad, dando tiempo al conjunto de los descendientes de la humanidad a integrarse en una entidad denominada AC Universal, una extensión cósmica de la inteligencia artificial Multivac y sus descedientes evolucionados. AC es una criatura que se extiende prácticamente por todo el cosmos, con una capacidad de cómputo y una complejidad difíciles de imaginar. Finalmente, tras un incontable tiempo dedicado a esa tarea AC es capaz de responder a la última pregunta, referente a la posibilidad de superar las restricciones para el futuro de la vida impuestas por la Segunda Ley, y al hacerlo es capaz de superar el reto de la Muerte Térmica. La historia termina con una interpretación de lo que implica realmente, así las palabras finales del relato son:

Y AC dijo: «¡Hágase la luz!».
Y la luz se hizo.


El conjunto de la vida inteligente, integrada en un supercomputador cósmico, ha dado lugar a un dios escatológico, capaz de crear nueva complejidad en el futuro lejano de un universo moribundo. La especulación de Asimov es interesante, y su relato anticipaba ya temas y escenarios que décadas más tarde poblarían las historias de la ciencia ficción más posmoderna. Su forma de entender la evolución de la humanidad futura es muy similar a la planteada por los transhumanistas extropianos, un futuro de la humanidad como datos en un entorno cibernético. Pero el nóvum, el motivo en torno al cual gira el relato, es la especulación sobre las posibilidades de supervivencia de la vida inteligente cuando las estrellas se hayan consumido en un futuro lejano, y no se encuentren fácilmente fuentes de energía libre para el desarrollo de una sociedad tecnológica.

La propuesta de Asimov para afrontar tal reto es clara, la vida habrá de aumentar en tamaño y complejidad. En esto coincide con un análisis realizado por el físico Freeman J. Dyson en un artículo escrito en 1979, que puede considerarse un clásico de la escatología física, la disciplina que aborda el futuro de la vida y el universo basándose en las predicciones rigurosas de las ciencias físicas. En él Dyson consideraba el caso de un universo abierto y realizaba algunas predicciones sobre las condiciones necesarias para la supervivencia futura de la vida en el universo. Los avances en física y cosmología ocurridos desde entonces matizan algunos de los resultados obtenidos por Dyson, aunque parte del análisis sigue siendo válido en un contexto más restringido. En cualquier caso sigue siendo un artículo fundamental que aún hoy puede estudiarse a la hora de reflexionar sobre el futuro profundo de nuestro universo.

Big Freeze o Muerte térmica del Universo (diagrama)

Las hipótesis fundamentales de Dyson son dos: Una hipótesis de abstracción, según la cual todo organismo vivo está caracterizado por un número Q, su grado de complejidad, y que puede definirse como el cociente de la entropía producida por el metabolismo del organismo, y el tiempo que este pueda tardar en producir un estímulo; una hipótesis de adaptabilidad, que supone que si una criatura con complejidad Q puede vivir en un ambiente A con temperatura T1, otra criatura equivalente con la misma complejidad Q puede vivir en un ambiente B con una temperatura T2. La adaptabilidad deriva de propiedades fundamentales de los sistemas cuánticos, y de abstracción es una aplicación muy general de la teoría de la información y la mecánica estadísticas. Son hipótesis básicas basadas en la física fundamental bien establecida.

A partir de estas hipótesis Dyson define una unidad de tiempo subjetivo, el tiempo que percibe una criatura con la capacidad de adaptabilidad, y que cuantitativamente mide el número de pensamientos que puede tener dicha criatura. Este tiempo caracteriza su experiencia vital subjetiva, y depende del ritmo al que se producen los procesos mentales de la criatura. Variando la velocidad de sus procesos de pensamiento la criatura es capaz de modificar su percepción de tiempo subjetivo.

Desde el punto de vista de la criatura, lo que se busca es que su tiempo subjetivo sea el mayor posible, ya que es dicho tiempo el que experimentará como el acontecer de su experiencia vital. Para ello hay que considerar el gasto de energía necesario para que la criatura pueda pensar, el consumo de energía por cada uno de sus pensamientos. Tanto el tiempo subjetivo como la energía dependen de la temperatura T de la criatura:

Tiempo subjetivo α 1/T

Energía requerida α 1/T2

El factor para la energía tiende a cero más rápidamente que el correspondiente al tiempo subjetivo. Esto implica que se puede obtener un tiempo subjetivo infinito de la criatura con complejidad Q, pero con un consumo finito de energía. Desde el punto de vista de la criatura esto implica una vida eterna con un gasto finito de energía. Dyson muestra que en un universo abierto con expansión constante es posible que la vida pueda sobrevivir eternamente con un gasto finito de energía. Con precisión, lo que demuestra realmente es que una criatura inteligente puede tener un número infinito de pensamientos consumiendo una cantidad finita de energía.

Pero la criatura está sometida a otro tipo de restricciones. La más importante es que tiene que disipar el calor excedente asociado con su metabolismo, de lo contrario podría freírse por el calor generado por su propio cuerpo. Puede disipar el calor en forma de radiación electromagnética, pero existe tasa máxima de la intensidad de la radiación emitida, que es función del número de electrones de que consta la criatura, o lo que es lo mismo, de su tamaño. El que exista un límite de la cantidad de calor que la criatura puede disipar mediante radiación supone que existe una temperatura ambiente mínima por debajo de la cual la criatura no puede enfriarse. Esto implica que una condición adicional para asegurar la supervivencia de la criatura es que el ritmo de enfriamiento del ambiente debe ser compatible con sus necesidades vitales.

En un universo plano la temperatura disminuye con el paso del tiempo, y en un futuro lejano la temperatura del ambiente aproxima al valor de la temperatura cosmológica. La tasa de enfriamiento se deduce a partir del modelo cosmológico empleado. Dyson demuestra entonces que es posible la supervivencia de vida inteligente en un universo abierto, pero tiene que adoptar dos estrategias que son básicas para su supervivencia.

Freeman John Dyson

Una de ellas es la necesidad de entrar periódicamente en un estado de hibernación en que su metabolismo se reduzca al mínimo. La criatura puede aprovechar esos periodos para disipar el calor excedente de su metabolismo, y poder acompasar su ritmo de adaptación al de cambio de temperatura del ambiente, que es resultado de la expansión cosmológica. La otra es consecuencia directa de que la cantidad de calor que puede disipar mediante radiación electromagnética es proporcional al número de electrones que la constituyen. La criatura aumentar de tamaño para poder dispar el calor generado por el metabolismo. Una criatura capaz de realizar tales adaptaciones sería una del tipo de la descrita por Fred Hoyle en su novela "La nube negra".

La conclusión fundamental del análisis de Dyson es que para que la vida pueda sobrevivir en un futuro lejano debe estar constituida por seres que aumentan su tamaño y reducen la velocidad de su metabolismo a medida que se expande el universo. Estas condiciones son compatibles con las del superordenador cósmico del relato de Asimov, de modo que puede considerarse que este podría sobrevivir en un futuro muy lejano, hasta el punto de que tenga que preocuparse seriamente de encontrar la respuesta a la última pregunta.

Hay que tener en cuenta que Dyson se plantea la cuestión de la supervivencia de la vida inteligente en un futuro lejano, pero no tiene en cuenta el problema la Muerte Térmica del Universo. La criatura de Dyson, amalgama de especies y civilizaciones, deberá de afrontar el reto de la Muerte Térmica. En este sentido en el relato de Asimov anticipó un escenario sobre el futuro de la vida desarrollado posteriormente en la literatura científica.

El análisis de Dyson considera el caso de un universo plano con una tasa de expansión constante, pero las observaciones sugieren que vivimos en un universo plano pero con expansión acelerada. ¿Afecta eso a las conclusiones obtenidas por Dyson? Lamentablemente sí, y de forma dramática. Los cosmólogos Lawrence Krauss y Glenn Starkman han demostrado cómo en un universo plano con constante cosmológica positiva, que es uno de los modelos físicos que parecen ser compatibles con las observaciones, las opciones para la supervivencia de las criaturas de Dyson se reducen considerablemente.

La dificultad principal para su supervivencia deriva del hecho de que en un universo con constante cosmológica positiva existe una temperatura mínima, la temperatura de Sitter. Pero una criatura como las imaginadas por Dyson necesita que la temperatura del ambiente disminuya con el tiempo, pues de lo contrario no podría disipar el calor que genera su metabolismo. Una vez se alcance la temperatura mínima la vida inteligente sería posible en el universo, aún cuando no se produzca una Muerte Térmica en el futuro.

La vida inteligente ya estaría en peligro mucho antes de que el universo se aproximarse a la Muerte Térmica. En el fondo, este lúgubre destino es también una consecuencia de la Segunda Ley. La necesidad de disipar el calor excedente no es sino la de eliminar la entropía creada por los procesos metabólicos. Por lo tanto, en el escenario sobre el futuro de la vida en el universo de Krauss y Starkman, el conjunto de los seres inteligentes tendrán que resolver la última pregunta de Asimov, aún cuando no exista una Muerte Térmica, si aspiran a sobrevivir.

Esto demuestra el poder proyectivo del relato de Isaac Asimov. El reto para la supervivencia futura de la vida en el universo son las implacables leyes de la termodinámica. Y es ésta la enseñanza que puede extraerse de “La última pregunta”, uno de los mejores relatos especulativos que nos aportado el género de la ciencia ficción.


José Manuel Uría
, licenciado en Físicas y aficionado a la ciencia ficción y la fantasía.

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