Parte 4: Sobre COMO es que el sistema "Elige" el mecanismo mas eficiente de dispersión de la energía...

Ya explicamos de porque es que esa aparente contradicción entre el orden emergente y la entropía, la degradación del sistema en su conjunto no es tal sino que por el contrario el orden emergente funciona como un mecanismo para la dispersión mas eficiente de la energía.
El orden no es una perdida en el proceso de degradación del sistema, una inversión del universo, que reporta ganancias inmediatas en terminos de la disipación de la energía, y por ende, la degradación del orden mismo en el sistema como un todo.
No se trata realmente de orden emergente sino de saltos de la energía, de las formas de orden mas elevadas hacia las mas bajas, en el flujo de la energía hacia un estado de dispersión total. La energía solo puede concentrarse en un sistema siempre y cuando provenga de un sistema cuya concentración de energía es mayor.
Esto es lo que en el enunciado de Clasius se formula como "No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un recipiente a una cierta temperatura y la absorción de una cantidad igual de calor por un recipiente a temperatura más elevada"
Por ejemplo, cargar una bateria de energía potencial solo es posible cuando la misma proviene de una fuente de energía aún mayor, y el proceso necesariamente va a implicar un gran residuo de energía desaprovechada que se pierde en el proceso mismo. De uno u otro modo, la energía se escapa hacia un estado de menor concentración.

Esto ocurre así porque existen esencialmente dos tipos de procesos generadores de orden y dispersores de energía en el universo, que son opuestos, pero que no se contradicen, sino que se articulan. Esos son los procesos de retroalimentación.

La retroalimentación es la reacción de un sistema a las alteraciones que se le introducen, sea magnificando esas alteraciones o absorbiendolas y de ese modo devolviendo al sistema al equilibrio, es decir, en un estado en el que de no introducirse perturbaciónes no se produzcan cambios.

La retroalimentación positiva ocurre cuando en un sistema, una perturbación, progresa con efecto acumulativo, expandiendose en el sistema. Esto ocurre cuando el sistema se encuentra en un equilibrio inestable.
El siguiente es un ejemplo de un sistema fisico en equilibrio inestable.


Si yo en este sistema introduzco una perturbación y muevo la pelota, esa perturbación entra en un proceso de retroalimentación positiva. Es decir que la perturbación en lugar de absorberse, se magnifica con efecto acumulativo cada vez mas.
Un ejemplo de retroalimentación positiva es la expansión de colonias en un caldo de bacterias. Donde si introduzco una bacteria, el efecto es la multiplicación acumulativa y exponencial de la misma.
otro ejemplo de retroalimentación positiva es cuando uno acerca un microfono al parlante que emite el sonido y se produce un bucle, donde un minimo sonido es captado por el microfono y aumentado por el parlante, vuelve a ser captado por el microfono y aumentado aún mas por el parlante, y sigue así en un ciclo de crecimiento que se expandería hasta el infinito si no fuera porque la potencia del microfono y el parlante es limitada.
La perturbación, en lugar de absorberse, se expande infinitamente, o hasta alcanzar un equilibrio estable.

La retroalimentación negativa en cambio, ocurre cuando el sistema actua frente a una perturbación reacciona en el sentido opuesto a la perturbación, regulandola. El sistema actua sobre una de las entradas del sistema con una acción que compensa la perturbación, devolviendo al sistema a su estado de equilibrio. Los equilibrios que caracterizan a los sistemas con retroalimentación negativa son equilibrios estables como el siguiente:


Ejemplos de retroalimentación negativa son por ejemplo:
El termostato de una estufa o de un sistema electrico. Si el sistema se excede de una determinada temperatura, el termostato actua sobre las entradas del sistema, cerrandolas o regulando su flujo para disminuir la temperatura del mismo y de ese modo mantenerlo en un estado de equilibrio.
La regulación hormonal tambien es un sistema con retroalimentación negativa, en donde un organismo biologico se protege de desequilibrios hormonales compensandolos con la producción de hormonas compensadoras.
Estos dos tipos de procesos se articulan en el universo, los procesos de retroalimentación negativa, generando orden y los de retroalimentación positiva, degradando el orden.
Mientras el universo no alcance su muerte termica, es decir, su estado de maxima entropía en el que absolutamente toda la energía se desgastó, con lo que el universo se apagaría, no van a existir equilibrios estables, en lugar de eso, lo que existen son equilibrios metaestables.
Cuando en un sistema hay multiples puntos de equilibrio estable, todos los equilibrios de mayor energía potencial, respecto de el o los de menor energía potencial, son metaestables. Miremos el siguiente grafico:



Como se ve ahí, tanto 1 como 3 se encuentran en equilibrios estables, mientras que 2 se encuentra en un equilibrio inestable. Es decir, las 3 se encuentran en equilibrio, mientras no se le introduzcan perturbaciones, se van a mantener estaticas. Pero si se introducen perturbaciones, 2 va a iniciar un proceso de retroalimentación positiva que va a desplazar al sistema hasta un estado de equilibrio estable. En cuanto a 1 y 3, una perturbación, siempre y cuando no sea demasiado fuerte como para arrastrar al sistema hacia otro estado de equilibrio estable, van a tender a oscilar en torno a su punto de equilibrio hasta volver al mismo.
Sin embargo observamos que el sistema 1 se encuentra en un punto de mayor energía potencial respecto de 3. Eso es lo que caracteriza un equilibrio meta-estable.
En nuestro universo existen siempre estados de estabilidad menos energeticos, o puestos en terminos de orden, como ya explicamos, menos ordenados. Por ende, todos los equilibrios estables, son metaestables, ya que contienen mayor energía potencial respecto de un equilibrio absoluto. Cuanto mas energía potencial acumula un sistema, mas rapida es su eventual degradación hacia un estado de menor energía. Es mas facil en el sistema que vemos, que 1, si se le aplica suficiente energía, caiga hasta 3, a que 3 suba hasta 1.

¿Como se aplica esto a la emergencia de orden en el universo?

Pensemos en estructuras naturalmente ordenadas, equilibrios estables que tienden a mantenerse en el universo.
Pensemos en el sistema de orbitas de los astros y vamos a ver que es el producto de nada menos que un sistema de retroalimentación negativa.
Ocurre el Big Bang, la materia flota, se expande y arremolina de mil formas posibles.
La energía queda distribuida de un modo sumamente inestable y heterogeneo. Hay cuerpos gigantes, cuerpos pequeños, cuerpos moviendose a diferentes velocidades, cuerpos mas calientes y cuerpos mas frios.
Eventualmente algunos cuerpos, por gravedad o simplemente por azar, colisionan y se fusionan. Esto es lo mas común.
Ocurre, sin embargo algo menos común con otros cuerpos. Si se cruzan a una velocidad y angulo muy especificos, los mismos van a entrar en orbita. las fuerzas centrifugas que tienden a alejar esos cuerpos se combinan con la fuerza de gravedad que se ejercen mutuamente y se compensan perfectamente, manteniendo a esos dos cuerpos girando uno en torno del otro, sin alejarse ni acercarse nunca lo suficiente como para perderse o colisonar uno con el otro. Este es un fenomeno, en principio, minoritario, ya que los rangos de angulo y velocidad que se requieren para que entren en orbita es muchisimo son muchisimo mas estrechos y especificos que los que se requieren para que ambos colisionen o simplemente se crucen, siguiendo cada cual un camino diferente.
Sin embargo, si bien la fusión entre dos cuerpos es el estado energeticamente mas estable en relación al estado de girar en orbitas, ya que los cuerpos en orbitas tienen mas energía potencial acumulada que los que simplemente se fusionan con el otro cuerpo. Ambos estados son mas energeticamente estables que el de los cuerpos que simplemente flotan sin rumbo en el espacio. Esto es así porque los cuerpos masivos, que entran en orbita con otros cuerpos masivos, constituyen un sistema de retroalimentación negativa, un ciclo que tiende a repetirse manteniendose estable. Si un tercer cuerpo colisiona o entra en orbita con otro cuerpo, va a tender a mantenerse en ese estado, ya que ingresa en un sistema que se retroalimenta negativamente.
Si bien en un momento dado es sumamente improbable que un cuerpo, en la inmensidad del espacio, choque contra otro y aun mas, que entre en orbita con otro.
Es inevitable que en la infinidad del tiempo y el espacio esto acabe ocurriendo, y una vez entrado el cuerpo en un sistema estable, con retroalimentación negativa, no va ya a volver a un estado de equilibrio inestable, como es el estado de un cuerpo que flota libremente en el espacio, sujeto a que cualquier perturbación afecte su trayectoria.
Por eso es que si bien el proceso de retroalimentación negativa es sumamente mas improbable que el de retroalimentación positiva. En un universo tan vasto, alcanza con que una minima porción de la materia y la energía comience uno de estos ciclos, para que estos sistemas terminen absorbiendo a todos los demás.
La razón por la que los procesos de retroalimentación negativa terminan predominando a pesar de ser en principio mas improbables que los de retroalimentación positiva, es la misma que la que rige la evolución por selección natural. Un ciclo que se reproduce, aún cuando en principio sea mas improbable que ocurra, se mantiene, mientras que los ciclos que no se reproducen, los ciclos inestables, terminan eventualmente siendo absorbidos en ciclos estables. De hecho, la evolución por selección natural ES un ciclo de retroalimentación negativa y los ciclos de retroalimentación negativa de todo el universo, se den o no en seres vivos, de alguna manera se desarrollan también por un proceso de selección natural, que es lo que estoy describiendo.

El ciclo de retroalimentación negativa hace a un sistema mas estable en el tiempo, mientras que el de retroalimentación positiva solo dura mientras el sistema no alcance un estado de equilibrio estable como el que le ofrecen los sistemas de retroalimentación negativa.

Puede sin embargo, y de hecho ocurre inevitablemente, como ya vimos, debido al proceso de aumento de la entropía, que un sistema estable se degrade hacia un equilibrio estable de menor concentración energetica. Cosa que en el caos del universo, con la infinidad de perturbaciones de todo tipo que afectan a los sistemas, eventualmente acaba ocurriendo.
Un ejemplo de esto serían los dos cuerpos en orbita, cuando un tercer cuerpo golpea a uno de ellos. Si el tercer cuerpo es lo bastante pequeño o no se mueve lo suficientemente rapido, va a fusionarse con uno de los cuerpos de la orbita. La orbita se va a alterar ligeramente, pero se va a estabilizar y el proceso va a continuar.
Si en cambio, el tercer cuerpo golpea a uno de los dos cuerpos en orbita con suficiente fuerza, puede ocurrir que la orbita se rompa con el resultado mas probable de que los dos cuerpos anteriormente en orbita se fusionen en un solo cuerpo. Este sería precisamente un salto del sistema de un equilibrio estable a un equilibrio mas estable aún, en el que la energía potencial del sistema es menor. Como vimos en el anterior grafico:




Un equilibrio estable es solamente meta-estable, respecto de un equilibrio estable de menor energía potencial. Una perturbación pequeña tiende a ser absorbida por el mismo sistema, pero una perturbación lo suficientemente grande como para no poder ser compensada, empuja al sistema a un equilibrio estable de menor energía potencial.
Ejemplo de esto sería tambien el edificio que tiene un sistema de contrapesos que permite reducir el balanceo producido por el viento. Un viento suave sería compensado, pero si viniese un huracán lo suficientemente fuerte, el sistema de regulación de movimiento del edificio sería superado y el edificio mismo colapsaría, liberando su energía potencial y alcanzando un nuevo equilibrio estable, mas estable que el anterior, que es el de una pila de escombros.
O el del termostato, que si la temperatura sube muy abruptamente, es incapaz de regular la temperatura lo suficientemente rapido, quemando todo el sistema.
En esos casos en que la perturbación supera la posibilidad del sistema de autoregularse, el sistema se degrada y se destruye, cayendo hacia un estado mas energeticamente estable.

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En articulos anteriores explicamos el fenomeno de las celulas de Benard y el proceso de convección del agua. Explicamos que la relación entre el orden emergente o sea, la concentración de energía potencial que implica tener al agua moviendose de manera ordenada, y el aumento en la eficiencia del sistema como un todo a la hora de dispersar la gran cantidad de energía calorica a la que se lo somete, favorecía al aumento de la entropía mucho mas que el proceso de simple conducción del calor. Por ende, cuando la energía que busca dispersarse a travez del agua es muy alta, resulta mas eficiente el proceso de convección, aún cuando eso implique el movimiento ordenado de particulas y la acumulación de energía potencial que a nivel local implica una reducción de la entropía del sistema.
Lo que no explicamos es como es que, al margen de que sea mas eficiente, el sistema "elige" esa via, si no se trata de un sistema guiado por ningún ente inteligente capaz de decidir entre opciones mas y menos convenientes. Si nos quedamos con lo que dije, pareciera que cuando un sistema que transmite calor es mas eficiente adoptando una determinada forma, magicamente, el sistema adopta esa forma, como si supiera lo que le conviene. Esto logicamente no ocurre por arte de magia sino que hay una explicación de como, exactamente, es que eso ocurre.
Como vimos cuando hablamos de conducción, el calor se manifiesta como la vibración, el despliegue de energía cinetica que manifiestan los atomos cuando se encuentran cargados de energía. La conducción ocurre cuando la vibración de un atomo "caliente" comienza a transmitirse a los atomos mas cercanos. Este proceso se llama termalización.
Cuando los atomos cargados de energía vibran, transmiten parte de su vibración, como una onda, a los demás atomos en un proceso que se expande exponencialmente, como una onda, a partir del punto de mayor energía del sistema. De ese modo, la vibración de los atomos, a medida que se "reparte" entre los atomos vecinos, se va reduciendo y el sistema se va equilibrando hasta que todos los atomos se mueven a una misma velocidad, es decir, hasta que a energía se dispersó por todo el sistema. Si al sistema se le sigue importando energía, como ocurre cuando calentamos una cacerola llena de agua, la vibración va aumentando progresivamente hasta que todos los atomos del liquido están vibrando y moviendose en todas las direcciones caoticamente, manteniendose este proceso estable mientras que la energía, el calor, que pierda el liquido sea mayor o igual que el calor que entra en el liquido.
Cuando no es así, y la temperatura sigue aumentando, ocurre que la parte del liquido mas caliente, que es la de abajo, va a vibrar tan rapidamente que el liquido se va a expandir, por la temperatura (el calor dilata los cuerpos, los hace menos densos) y al ser menos densa esa parte del liquido que el resto, va a flotar en el mismo, va a tender a subir. Cuando suba se va a enfriar y va a bajar al mismo tiempo que el liquido que antes bajó y se calentó comienza a subir. Este movimiento lo que hace es iniciar un ciclo que se perpetúa, un proceso de retroalimentación negativa en el que el sistema va moviendo el liquido para mantenerlo en una temperatura lo mas intermedia, mas estable posible. El liquido frio baja para calentarse y el caliente sube para enfriarse. En cuanto a las particulas que sigan moviendose aleatoriamente, van a tender a incorporarse al ciclo de retroalimentación negativa, van a ser arrastrados por la corriente hacia ese movimiento ordenado, ciclico que es mas energeticamente estable que el estado de una particula que simplemente vibra en su lugar o se mueve caoticamente por el liquido.
Volviendo al tema ya tratado de la nucleación... en una copa de champagne, el gas se encuentra en un estado energeticamente alto, contiene energía potencial que busca dispersarse. Mientras la presión no sea suficientemente alta, el gas no se va a dispersar espontaneamente, ya que no tiene suficiente energía como para romper con el equilibrio meta-estable en el que se encuentra. Pero si se produce una perturbación del sistema homogeneo, como una pequeña imperfección en la superficie de la copa que permita que se condense a su alrededor una pequeña burbuja, se crea una pequeña ventana, una inestabilidad estructural, que permite escapar al gas del liquido con un un gasto de energía menor que el que es necesario para que el gas se expanda homogeneamente.
Tambien observamos el fenomeno de la nucleación en el ejemplo del supercongelamiento. Toda sustancia, especialmente las liquidas, tienen dos puntos de congelamiento, el homogeneo y el heterogeneo. La temperatura de congelamiento homogeneo es siempre menor que la temperatura de congelamiento heterogeneo ya que todo cambio de estado implica un gasto de energía. El gasto de energía para todo el sistema es menor cuando puede comenzar por un pequeño punto, mas inestable del sistema, y luego expandirse a todo el sistema que cuando todo el sistema cambia de estado simultaneamente de manera homogenea. Es como los pajaros, que viajan en estructura de "V" para que un solo pajaro tenga que lidiar con la resistencia del aire y todos los demás puedan aprovechar la ventana que ese pajaro crea y expandirla de manera que requiera un gasto de energía menor para el conjunto. O un globo, que si se sigue inflando, se va a pinchar, pero va a hacerlo por su punto mas debil, por la parte mas delgada de su superficie, ya que requiere menos energía que la que requeriría el globo si se pinchase homogeneamente, es decir, si simplemente se desintegrara ante la presión del aire. Una vez creada una brecha para la transformación del estado del sistema, todos los elementos del sistema van a tender a aprovechar esa brecha, que es el estado de mayor estabilidad energetica para el sistema mismo.
Esto es en lo que consiste el fenomeno de la nucleación. En que un sistema ordenado, donde la energía potencial es alta, se va a quebrar mas facilmente si la reacción puede comenzar por un solo punto y despues expandirse al resto del sistema. A medida que se presiona para quebrar un sistema, la energía potencial se acumula, el sistema se va volviendo mas inestable a medida que se acerca a los limites de lo que el sistema es capaz de compensar y el sistema se va a quebrar en el momento que la energía sea suficiente como para quebrar el punto mas debil de ese sistema.
volviendo al grafico de los diferentes tipos de equilibrios:



Cuanto mas se se presiona al sistema 1, cuanto mas energía potencial se le importe, mas se va acercando al limite del sistema que es 2, en donde el sistema se vuelve inestable y a la mas minima perturbación, como puede ser un cristal de hielo en un liquido supercongelado o una imperfección en el cristal de una copa llena de champagne, o un conjunto de particulas que suben en un liquido calentado hasta su punto de ebullición, esa perturbación desencadena un ciclo de retroalimentación positiva en la que la perturbación se extiende a todo el sistema haciendolo caer hacia un estado energeticamente mas estable, como sería el punto 3, que en el caso del liquido supercongelado sería la expansión rapida del congelamiento a todo el liquido, en el caso del champagne, sería la fuga progresiva del gas de todo el liquido a travez de ese pequeño punto y en el caso del agua en su punto de ebullición, sería el movimiento ordenado de millones de moleculas de agua en un ciclo de convección. Todos estos siendo los mecanismos mas eficientes, que permiten dispersar mayor energía a un coste menor para el sistema.
Por eso es que los sistemas tienden a romperse, la energía tiende a dispersarse, del modo mas eficiente posible. No porque alguien esté eligiendo el metodo sino simplemente porque la energía potencial que en un sistema naturalmente ordenado, con el fenomeno de la retroalimentación negativa, tiende a ser compensada, pero cuando el sistema es saturado, el mismo se quiebra primero por el punto mas debil, el mas eficiente y estable desde el punto de vista energetico, que tiende a arrastrar al resto del sistema en la misma dirección.