Resulta paradójico que el mundo contemporáneo, con sus deslumbrantes adelantos científicos y tecnológicos que nos dan la capacidad de exterminarnos (sea voluntaria o involuntariamente), tenga entre sus orígenes a un artesano con poco o ningún conocimiento científico.
Thomas Newcomen inventó la primera máquina de vapor en 1712 para usarla en las minas de cobre de Cornwall, en Inglaterra. Sus máquinas no eran muy eficientes y tuvieron un éxito menor; hasta que, en 1765, se le pidió al fabricante de instrumentos James Watt que reparara una de ellas.
Watt no sólo hizo la reparación sino que se le ocurrió cómo hacer máquinas que funcionaran mejor, y comenzó a venderlas a gran escala en 1785, con tanto éxito que actualmente usamos su apellido para nombrar la medida de potencia.
›Watt era un ingeniero, no un científico, lo cual quiere decir que entendía cómo hacer funcionar las máquinas y cómo producirlas, pero no conocía los principios fundamentales sobre los cuales se basaba su funcionamiento.
Resulta también paradójico, entonces, que la ciencia que permitiría entender las máquinas de vapor se desarrollaría 112 años después que las propias máquinas, y que, en realidad, era innecesaria para producir buenas máquinas.
Pero lo más paradójico de toda esta historia es que el estudio de la máquina de vapor, una invención humana, dio origen a la más universal de las teorías científicas: la termodinámica, cuyas leyes gobiernan y permiten entender desde los choques de las bolas de billar hasta la astrofísica de los agujeros negros; desde las reacciones químicas que ocurren en las baterías hasta la teoría de la evolución, y desde las máquinas de vapor, hasta la economía mundial y la dinámica atmosférica.
Lo que no tiene paradoja alguna es que el primer paso en la construcción de esta ciencia totalizadora lo dio un pensador que renegó tanto de la ciencia como de la religión y que, en cierto sentido, intentó juntarlas.
La más universal de las ciencias
En los libros de texto encontraremos que el inicio de la termodinámica se debe a Sadi Carnot, quien en 1824, publicó el ensayo “Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego, primer análisis científico de la operación de la máquina de vapor”; en el que daba cuenta de la ineludible falta de eficiencia de la máquina, pues parte del trabajo, por efecto de la fricción, se transformaba en calor que no podía ser aprovechado.
Pero la academia suele olvidar a Julius Robert Mayer, el profesor de física y matemáticas en Harvard y comunicador de ciencia Michael Guillen, señala que tanto el seminario teológico evangelista como su instrucción inicial como médico dejaron a Mayer con la sensación de que algo faltaba tanto en la religión como en la ciencia, así que decidió juntarlas:
Su teoría de cómo se originó el mundo —dice Guillen en su libro Cinco ecuaciones que cambiaron el mundo— era un curioso revoltillo de ciencia y religión. Mayer imaginaba que, en un principio, el universo había empezado a existir mediante una fuerza única e inexplicablemente enorme a la que llamó Ursache, que en alemán significa ‘causa’, de la cual se habían escindido diversas ‘krafte’ o fuerzas más pequeñas, cada una de las cuales guiaba en la actualidad cierto aspecto del universo, fuera eléctrico, químico, térmico…”
›Mayer creía que la suma total de las fuerzas se mantenía igual a la Ursache original, por lo que, en el fondo, estaba expresando lo que ahora conocemos como la ley de la conservación de la energía. Sin embargo, ni teólogos ni científicos estuvieron contentos con este intento de Mayer; pero él perseveró: procuró aprender de física y buscó la manera de comprobar experimentalmente sus ideas.
Pero la frustración de Mayer solo aumentó. Por un lado, James Joule hizo el primer experimento que demostraba la falsedad de las teorías sobre el calor que había en la época y adquirió tal fama que actualmente la conversión del trabajo en calor y viceversa se mide en joules o calorías; por otro, Hermann von Helmholtz publicó el ensayo Sobre la conservación de la fuerza. Hasta las biografías más conservadoras creen que esta y otras faltas de reconocimiento a la labor de Mayer lo condujeron a intentar suicidarse en 1848.
Entonces apareció en escena Rudolf Julius Emmanuel Clausius, quien en ese mismo año recibió su doctorado y quien tenía lo que a Mayer le faltaba: una sólida formación en física y matemáticas, y respeto por parte de la comunidad científica. Aun así, le tomó 18 años de trabajo juntar en una sola teoría las ideas de Mayer, los experimentos de Joule, las observaciones de Carnot y una palabra acuñada por William Thompson: energía.
Así, Clausius enunció lo que ahora conocemos como la primera ley de la termodinámica o de la conservación de la energía, la cual dice que la energía no se crea ni desaparece, sólo se transforma. Pero Clausius dio, después, un paso más allá hacia la universalidad. Pensando en medir cuál podría ser la energía total del universo, acabó por darse cuenta del que sería su final. En pocas palabras, se dio cuenta de que el universo entero padecía el mismo problema que Carnot había detectado en las máquinas de vapor: la cantidad de calor que ya no podría transformarse en otras formas de energía, fuera mecánica, eléctrica, nuclear o cualquier otra, tendía siempre a crecer; es decir: la cantidad de energía permanecerá igual, pero cada vez habrá menos “energía útil” para hacer trabajo.
Clausius llamó a esta cantidad “entropía” y vivió lo suficiente para saber que un tal Ludwig Boltzman, por un camino muy distinto, había encontrado que la entropía puede equipararse al desorden.
Dato. De 1980 a 2017, a cada mil millones de dólares de producción económica mundial ha correspondido con un crecimiento de la sociedad que requiere 5.9 gigavatios adicionales de producción de energía; eso equivale a 10 centrales eléctricas de carbón y emite a la atmósfera alrededor de 1.5 millones de toneladas de CO₂ cada año.
Nuestro combate a la entropía
Si las máquinas de vapor y el universo entero están sujetos a las leyes de la termodinámica, no hay sistema que pueda presumir de violarlas. Los seres vivos, con nuestras maquinarias moleculares, celulares, orgánicas, ecológicas y hasta económicas y sociales altamente ordenadas, hacemos nuestro mejor esfuerzo para combatir la entropía, pero ese esfuerzo requiere mucha energía, misma que nos viene del Sol, un enorme generador de entropía.
Cualquier sistema que reciba grandes cantidades de energía acaba generando estructuras ordenadas y estables que disipan esa energía. Esto lo podemos ver, por ejemplo, en los pequeños vórtices que se forman en las corrientes de agua de los ríos.
Esto implica, según explican Dorion Sagan y Eric Schneider, que la existencia de formas de vida en todos los planetas del universo estaría favorecida; tal vez incluso el surgimiento de la mente y la inteligencia sean casi inevitables desde el punto de vista termodinámico.
300 millones de empleos se han perdido en el segundo cuarto de 2020.
Por otro lado, también implica que prácticamente todos los sistemas, vivos o no, están condenados a, eventualmente, generar entropía, a la que a veces llamamos basura y contaminación, o a convertirse en entropía, en forma de decadencia, vejez y, al final, a la muerte o la extinción.
Los seres vivos que están en un sistema cerrado y tienen un final inevitable; como les sucede a las bacterias fermentadoras, que mueren a consecuencia del alcohol que producen como desecho. Pero en un sistema abierto como la Tierra, el destino puede ser distinto, ¿no?
Desafortunadamente, la respuesta es sí, pero no necesariamente. Tal como platicamos en estas páginas hace unas semanas, las bacterias fotosintéticas que producían oxígeno como desecho acabaron con casi toda la vida sobre la Tierra: Los seres humanos, que producimos dióxido de carbono en cantidades industriales desde finales del siglo XVIII estamos siguiendo ese ejemplo a paso veloz.
Hacia dónde vamos
Las relaciones entre la ciencia económica y la termodinámica han sido bastante buenas... pero equivocadas.
En general, lo que se ha hecho desde el punto de vista académico es abordar el estudio de los fenómenos económicos considerando el flujo de dinero como si fuera flujo de energía. Pero el dinero no es energía y, por mucho que este enfoque haya arrojado resultados valiosos e interesantes, no es en verdad termodinámico.
Recientemente ha surgido la termoeconomía, que se acerca al fenómeno económico con la idea de que la energía es energía, no dinero, y hace unos días se publicó un artículo en donde se considera a la economía mundial como una gran máquina de vapor, con la diferencia de que está creciendo constantemente.
6% se reducirá la economía mundial en 2020 a causa de Covid-19.
Los autores, Tim Garrett, científico atmosférico de la Universidad de Utah; Matheus Grasselli, matemático de la Universidad McMaster, y Stephen Keen, economista del University College London, llegaron a una conclusión sorprendente. Garrett la expresa así:
Los defensores de la eficiencia energética para la mitigación del cambio climático pueden parecer tener un punto razonable; pero su argumento solo funciona si la civilización mantiene un tamaño fijo, lo cual no sucede. En cambio, una civilización eficiente es capaz de crecer más rápido, puede utilizar más eficazmente sus recursos energéticos disponibles para hacer más de todo, incluyendo más personas. La expansión de la civilización se acelera en lugar de disminuir, al igual que sus demandas de energía y emisiones de dióxido de carbono”.
›Esta conclusión deriva de que, al analizar datos económicos de 1980 a 2017 buscando la relación entre la producción económica y el consumo de energía, encontraron que a cada mil millones de dólares (ajustados al valor de 2010) de producción económica mundial ha correspondido una ampliación de la sociedad que requería 5.9 gigavatios adicionales de energía para sostenerse.
Además, vieron que incluso si se implementara de inmediato una “economía de estado estacionario” que estabilizara las emisiones de dióxido de carbono, el ritmo del calentamiento global se ralentizaría, pero no se eliminaría.
Epílogo para liberar presión
Tras su intento de suicidio en 1848, en el que además habían influido su detención por ultranacionalistas y la muerte de algunos de sus hijos, Mayer pasó un tiempo recluido en un psiquiátrico; pero se fue recuperando, consiguió publicar varios artículos científicos y hasta recibió un doctorado honorario. Finalmente, su gran contribución a la ciencia fue reconocida y recibió la más alta distinción del estado de Würtenberg; cuando murió tenía el reconocimiento que siempre había buscado.
La economía mundial es mucho más compleja, que una máquina de vapor o que la vida de una persona, pero conviene recordar aquí que la Agencia Internacional de Energía (IEA) hace unas semanas publicó un documento donde propone a los gobiernos aprovechar la pausa que ha significado la pandemia para redireccionar la producción de energía por caminos más sustentables.
Incluso, la IEA da varias opciones sobre cómo es posible hacerlo; pero eso sí, aclara que el camino que tomemos en los próximos seis meses (ya pasó uno) será determinante