Nueva Cosmologia Prigogine

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Nueva cosmologia

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APUNTES SOBRE LA NUEVA COSMOLOGIA8APUNTES SOBRE LA NUEVA COSMOLOGIAIlya Prigogine. Ruso (Mosc 1917). Nacionalizado belga. Nbel de Qumica 1977.Termodinmica y fenmenos irreversibles (tude Thermodynamique des Phnomens irreversibles. 1945). Principales trabajos de divulgacin: La Nueva Alianza y Del Ser al Devenir. Conferencias, artculos y entrevistas. Las Ideas generales de Prigogine, pueden seguirse en: Dilogo con Ottavia Bassetti (Miln 27/10/84); El papel creativo del tiempo (conferencia, Miln 24/10/84); El Nacimiento del Tiempo (conferencia , Roma 12/02/87). Estos trabajos han sido recopilados en El Nacimiento del Tiempo (Tusquets - Buenos Aires 1991). El @ es de Edizioni Theoria, Roma - Napoli 1988.Algunos puntos importantes en el sistema de Prigogine.En 1967 formula el concepto de estructura disipativa. Al lado de las estructuras clsicas del equilibrio, aparecen estructuras disipativas coherentes.Autoorganizacin en los sistemas de no equilibrio. Papel fundamental de la irreversibilidad para los procesos de autoorganizacin espontnea. De acuerdo a esto, fuera del equilibrio la materia tiene la capacidad de percibir diferencias en el mundo exterior y de reaccionar con grandes efectos a pequeas fluctuaciones.(sistemas sociales e historia).Discusin con Jacques Monod (el azar y la necesidad), bilogo molecular francs, premio Nbel en 1965. La visin de este resulta, segn Prigogine, de aplicar el modelo del mundo reloj a mecanismos simples e irreversibles. Ocurre lo contrario a lo dicho por Monod: los procesos irreversibles ponen en juego las nociones de estructura, funcin e historia.I. Dilogo con Ottavia Bassetti (Miln 27/10/84).La revolucin comienza en 1811 cuando Fourier trata el tema de la propagacin del calor en los slidos (ah comienza la termodinmica). Desde all se instauran dos universales en Fsica: la gravitacin y el calor. Ya en 1865 Clausius extrae consecuencias con el concepto de entropa aplicado a la cosmologa. Las nuevas ideas son: la disipacin de la energa, la irreversibilidad y la evolucin hacia el desorden. En el S.XIX solo es considerado el ltimo de los fenmenos termodinmicos. En esta termodinmica del equilibrio, los procesos irreversibles no son seriamente considerados. Universo gravitacional (esttico) y universo termodinmico (dinmico). El tiermpo ya no es un parmetro del movimiento, sino que mide evoluciones internas hacia un mundo en no- equilibrio. La organizacin de los seres vivos y la historia del hombre ya no son accidentes extraos al devenir del hombre.Es la irreversibilidad de los fenmenos la que permite que las estructuras se organicen. Cmo se explicara la evolucin? Deberamos considerar al tiempo como el que conduce al hombre y no al hombre como creador del tiempo. El hombre forma parte de esta corriente de irreversibilidad que es uno de los elementos esenciales, constitutivos del universo. El tiempo es esencial de acuerdo a Bergson o inesencial como pensaba Einstein? El universo es una evolucin irreversible. La reversibilidad clsica resulta un caso particular. Prigogine estima que hay una estrecha relacin entre termodinmica y gravitacin faltando una teora unificada. El mensaje de la segunda ley de la termodinmica es que no podemos predecir el futuro de un sistema complejo. El futuro es apertura. Y la evolucin biolgica y la evolucin de la sociedad son historias naturales del tiempo. El tiempo en una reaccin qumica que alimentamos depende de que las sigamos alimentando. En la vida nace un tiempo interno que contina, se propaga y se hace cada vez ms complejo. Leer la historia del universo como historia de un tiempo autnomo, o de una autonoma creciente del tiempo es una gran tentacin de la ciencia de hoy. La ciencia se ha preocupado de descomponer en piezas pero no ha llegado a la comprensin de los conjuntos.En definitiva, nos encontramos ante un universo mecnico o ante un universo terrmodinmico? Qu hay primero, las leyes reversibles de la mecnica, de la mecnica cuntica, de la relatividad; o la direccin del tiempo, como deca Aristteles, en la perspectiva del antes y el despus?Para la teora de Onsager (1931) de los puntos prximos al equilibrio, se establece el concepto de reciprocidad.La novedad es que fuera del equilibrio, la materia adquiere propiedades nuevas, tpicas de las situaciones de no - equilibrio, situaciones en que un sistema lejos de estar aislado es sometido a fuertes condicionamientos externos, y estas propiedades nuevas son necesarias para comprender el mundo que tenemos delante. La expresin estructura disipativa posee estas propiedades: sensibilidad y por tanto movimiento coherente de gran alcance; posibilidad de estados mltiples y en consecuencia historicidad de las elecciones adoptadas por los sistemas. Son propiedades estudiadas por la fsica matemtica no lineal en este nuevo estado de la materia que caracteriza a los sistemas sometidos a condiciones de no - equilibrio.En condiciones de equilibrio, cada molcula ve solo lo ms prximo que le rodea. En no equilibrio, como las grandes corrientes hidrodinmicas o los relojes qumicos, debe haber seales que recorren todo el sistema, que los elementos de la materia empiecen a ver ms all y la materia se vuelva sensible. La vida no es solamente qumica, tiene que haber incorporado todas las otras propiedades fsicas: gravitacin, campos electromagnricos, luz, clima. Se requiere una qumica abierta al mundo externo, y solo la materia alejada de las condiciones de equilibrio tiene esa flexibilidad. En esas condiciones la ecuaciones no son lineales, hay muchas propiedades posibles, muchos estados posibles, que son las distintas estructuras disipativas accesibles. Si nos acercamos al equilibrio sucede lo contrario: todo resulta lineal y no hay ms que una posible solucin. Hoy ya las ideas de atractores, sensibilidad a las condiciones iniciales, azar determinista, se van abriendo paso.La funcin crea la estructura. La ciudad vive porque intercambia materias primas o energa con el campo que la circunda. Pero la funcin, el flujo de materia y enega es una situacin de no equilibrio.Los fenmenos irreversibles pueden ser el origen de la organizacin biolgica, porque est claro que tiene que haber algo en la vida que impida que esta se degrade, debe haber algn fenmeno irreversible.Con Monod no estaba de acuerdo porque l pona la vida fuera de la materia, como un epifenmeno debido al azar, pero de alguna manera ajeno a las grandes leyes. Para Prigogine, la vida expresa mejor que cualquier otro fenmeno fsico algunas leyes esenciales de la naturaleza. La vida humana, la vida de las sociedades nos permite ver fenmenos de multiplicacin de estructura de un modo no lineal a gran velocidad cosa muy difcil de apreciar en el universo no viviente.El divorcio actual entre las ciencias humanas y las exactas radica en que la Fsica, p.ej. se mueve bajo el ideal universal e intemporal, mientras que las ciencias humans se basan en esquemas histricos ligados al concepto de situaciones nuevas o estructuras nuevas que se superponen unas a otras. Cuando se tuvo la oportunidad de hacer progresos en la comprensin del tiempo, en el interior de la ciencia se advirti la posibilidad de superar esa dicotoma de las dos culturas.Qu diferencia hay entre la qumica orgnica y la qumica biolgica? En la qumica biolgica, molculas como las del DNA tienen una historia, nos hablan del pasado en el que se han constitudo. Una molcula orgnica creada hoy es testigo del presente, no ha tenido evolucin histrica. La irreversibilidad del ambiente queda fijada en el orden molecular de un polmero. En los ltimos tiempos se han llevado a cabo experimentos en los que se ha mostrado que a partir de reacciones de no equilibrio, caticas, se pueden formar cadenas con una estructura ordenada y una simetra rota, como en el DNA que debe ser ledo de cierto modo, como un texto de izquierda a derecha. Y esta nueva ruptura de la simetra en el espacio es una consecuencia de la ruptura de la simetra temporal, de la diferencia entre pasado y futuro. Cuando miramos un cristal de nieve, observando su estructura, podemos adivinar en qu condiciones atmosfricas se ha formado: si era una atmsfera fra o ms o menos saturada, etc. Algn da, observando una molcula de la vida, un DNA o un polmero, podremos comprender en qu circunstancias geolgicas o biolgicas se ha formado. Cmo se imprime el tiempo en la materia? Esto es la vida, el tiempo que se imprime en la materia.II. El Nacimiento del Tiempo (conferencia, Roma 12/02/87).Cules son las exigencias que la Fsica ha de satisfacer frente a un unierso evolutivo?. Son tres: irreversibilidad; probabilidad y coherencia, que constituyen las condiciones para la existencia de nuevas estructuras que ha descubierto la Fsica de los procesos alejados del equilibrio.a) La irreversibilidad macroscpica.Dado un sistema, es decir, una porcin arbitraria del espacio, el segundo principio de la termodinmica afirma que existe una funcin, la entropa, que podemos descomponer en dos partes: un flujo entrpico proveniente del mundo externo, y una produccin de entropa propia del sistema considerado. Es esta produccin de entropa interna la que siempre es positifa o nula, y que corresponde a los fenmenos irreversibles. Todas las reacciones qumicas y los fenmenos biolgicos son irreversibles.Para muchos hombres de ciencia la irreversibilidad corresponde a la disipacin, al desorden. Se trata de comprender que as como hay creacin de desorden, hay creacin de orden y estos principios estn ligados. En un ejemplo: en dos cajas comunicantes, ponemos una mezcla de hidrgeno y nitrgeno. Si la temperatura interna del sistema es homognea, tambin lo ser la distribucin de los componentes. Pero si sometemos los extremos del sistema a temperaturas diferentes, creamos una distribucin contrastada. El hidrgeno abundar ms en un extremo y el nitrgeno en otro. As es que se crea una disipacin, un aumento de entropa, pero tambin un aumento de ordenacin. Es el conocido fenmeno de la antidifusin. Este fenmeno requiere un cambio de paradigma porque clasicamente, se asociaba orden a equilibrio (caso de los cristales) y desorden a no- equilibrio ( caso de la trubulencia). Hoy sabemos que es inexacto: la turbulencia es un fenmeno altamente estructurado en el cual millones de partculas se insertan en un movimiento extremadamente coherente. Resultando que el universo del no- equilibrio muestra un universo coherente. El ejemplo csico es el de la inestabilidad de Bnard. Si calentamos por debajo un estrato de lquido, podemos observar la formacin de vrtices, fenmenos coherentes que transmiten el calor de manera ms eficaz que la sola conduccin trmica. Es un fenmeno de bifurcacin que conduce a la formacin de estructuras del no- equilibrio, que hoy se ha convenido en llamar estructuras disipativas, que siempre responden a un mecanismo de amplificacin de las fluctuaciones. En las reacciones qumicas se producen continuamente fluctuaciones: simpre hay ms ac o ms all concentaciones que se diferencian de la media. Para un estado prximo al equilibrio este hecho es irrelevante porque las fluctuaciones mueren y el ambiente vuelve a un estado homogneo. Pero en situaciones alejadas del equilibrio, se puede producir lo contrario: en vez de retornar al estado inicial, se amplifican las fluctuaciones y esto lleva a situaciones nuevas, que da lugar a posibilidades variadas.La bisfera es un sistema alejado del equilibrio. Un sistema en equilibrio no tiene historia, no tiene ms que persistir en su estado en el que las fluctuaciones son nulas.Si pensamos en el pndulo, no aparecen la irreversibilidad o las probabilidades. Cmo conciliar probabilidad y determinismo en el caso del juego de las monedas (cara o cruz)? Se sale del paso diciendo que esto ocurre por mi ignorancia de todas las condiciones en que se realiza la experiencia. Pero no, existen sistemas dinmicos que ningn conocimiento finito de las condiciones iniciales permite prever el resultado del juego.En la concepcin clsica el determinismo era fundamental, y la probabilidad era una aproximacin a la descripcin determinista, debido a nuestra informacin imperfecta. Hoy la situacin es la inversa: las estructuras de la naturaleza nos constrien a introducir la probabilidad independientemente de la informacin que poseamos. La descripcin determinista no se aplica de hecho ms que a situaciones sencillas, idealizadas, que no son representativas de la realidad fsica que nos rodea.Actualmente, la irreversibilidad limita el alcance de la nocin de trayectoria clsica en razn de la inestabilidad de los sistemas dinmicos. Si el universo estuviera sometido a un conjunto de leyes a la Kepler, no encontraramos ms que evoluciones del tipo de las que nos muestran las trayectorias planetarias y no habra ninguna direccin privilegiada del tiempo. Pero el mundo no es un conjunto de pndulos, no est hecho de movimientos peridicos simples.b) La irreversibilidad en cosmologa.La irreversibilidad es comn al universo entero, no es relativa a una parte del universo. Se presenta el problema: cmo concebir el inicio del tiempo, la creacin del tiempo y la creacin del universo?La muerte trmica est en los inicios del universo. Todos los otros fenmenos entrpicos son despreciables en comparacin con la produccin de entropa que tuvo lugar en el inicio del universo. Para formular esto hay que apelar a dos tipos de constituyentes: los fotones y los bariones. El universo es sobre todo de fotones ya que hay 109 de estos por cada barin. Los fotones son productos de deshecho, se van enfriando con la expansin del universo. En cambio, los bariones son objetos de no- equilibrio, son los supervivientes de los primeros momentos del universo. Se puede asociar fotones y bariones a la produccin de desorden y de orden en el universo. El universo es el resultado de una transformacin irreversible y proviene de otro estado fsico.La transformacin del espacio - tiempo en materia, en el momento de la inestabilidad del vaco corresponde a una explosin de entropa, a un fenmeno irreversible. La materia, corresponde en realidad, a una contaminacin del espacio - tiempo. Pero la contaminacin, la disipacin, son productores a la vez de orden y desorden.El estado fundamental (el vaco), puede disminur su energa emitiendo agujeros negros, de la misma manera en que un tomo puede pasar de un estado excitado a su estado fundamental emitiendo fotones. Este fenmeno es irreversible.Gracias al segundo principio de la termodinmica es como se ha construdo el universo y como la materia lleva consigo el signo de la flecha del tiempo.c) El nacimiento del tiempo.El Big Bang es una singularidad que cae fuera de la ciencia que estudia fenmenos repetibles. Del mismo modo, creer que la vida es una singularidad no permite hacer ciencia. As es que ms adecuado es pensar que la vida se forma cada vez que los fenmenos planetarios sean favorables. Por otra parte, se formar un universo cada vez que las condiciones astrofsicas sean favorables.El nacimiento del tiempo, no es el nacimiento de nuestro tiempo. Ya en el vaco fluctuante, preexista el tiempo en estado potencial. El tiempo no es la eternidad ni el eterno retorno... Y no es solamente irreversibilidad y evolucin.La Fsica clsica, cuyo texto cannico es Le systeme du monde de Laplace, nos invitaba a reconstrur una imagen del mundo superponiendo movimientos simples. A cada movimiento corresponda una no- homogeneidad del espacio - tiempo. En cambio, en la cosmologa ahora expuesta, la totalidad desempea el papel determinante. El hecho singular, individual, slo se vuelve posible cuando est implicado en semejante totalidad. Llegamos as a un tiempo potencial, un tiempo que est ya siempre aqu, en estado latente, que solo requiere un fenmeno de fluctuacin para actualizarse. En este sentido, el tiempo no ha nacido con nuestro universo: el tiempo precede a la existencia, y podr hacer que nazcan otros universos.III. El Papel Creativo del Tiempo (conferencia. Miln 24/10/84).El pensamiento mecnico, dinmico, es el intento de aislar un sistema, de considerarlo independientemente del resto del universo.Los sistemas dinmicos no son nunca estables. P.ej. cuando un cuerpo pasa cerca de nuestro planeta su trayectoria queda desplazada y ya no vuelve a la situacin precedente. Opuestamente, cuando corremos el corazn se acelera pero luego se recupera en el ritmo normal. En este caso hay un comportamioento estable y en el de la dinmica hay una forma de inestabilidad. Cmo es en cambio, la descripcin termodinmica? Es de tipo global: coloca a un sistema en su ambiente. Introduce, adems, la idea de estabilidad. Por el segundo principio de la termodinmica, los fenmenos irreversibles conducen a una produccin positiva de entropa.Si se perturba a un sistema aislado en equilibrio, vuelve despus al equilibrio. En los fenmenos disipativos se pueden despreciar las perturbaciones, en el mundo de la dinmica, no.De este modo, identificamos el nexo entre disipacibn y orden. Si no hubiese estabilidad, el mundo cambiara de contnuo por lo que no podra existir ninguna organizacin estable de las estructuras, por ejemplo las de las estructuras biolgicas. Por tanto, la irreversibilidad es un fenmeno muy relevante.Aristteles haba analizado el problema del tiempo (Fsica, 11, 219b 1-2); haba advertido que el tiempo era la medida del movimiento en la perspectiva del antes y el despus. Y esto es lo que todava se hace hoy: se mide el tiempo con relojes que tienen un movimiento peridico. Pero en cuanto al antes y el despus, Aristteles pensaba que sera el alma la que daba esa perspectiva y por tanto, seramos nosotros mismos los responsables de la irreversibilidad en el mundo, como piensan hoy muchos fsicos. Pero ahora comprobamos que los fenmenos irreversibles conducen a nuevas estructuras y desde que estas aparecen ya no podemos pensar que somos los responsables de la perspectiva del antes y el despus. Ya no podemos pensar, con Einstein, que el tiempo irreversible es una ilusin.El no equilibrio crea la coherencia, permitiendo a las partculas actuar a larga distancia. La materia en proximidad al equilibrio es ciega, porque cada partcula vesolamente las molculas que la rodean; mientras que en situacin alejada del equilibrio se producen correlaciones de largo alcance que permiten la construccin de los estados coherentes que hoy se encuentran en numerosos campos de la Fsica y la Qumica.La mecnica cuntica ha introducido el azar en la Fsica. Sin ambargo, el azar solo entraba en juego a nivel microscpico y de esto algunos concluyeron que a nivel macroscpico el azar resultara eliminado por la lety de los grandes nmeros. Pero ahora sabemos que esto no es as.Cerca del equilibrio siempre es posible linealizar, pero lejos de l tenemos no linealidad del comportamiento de la materia. La existencia de estos estados que pueden convertirse unos en otros introducen el elemento histrico en la descripcin. Esto pareca reservado a la Biologa o a las ciencias humanas cuando ahora puede observarse en sistemas extremadamente sencillos. Tambin en estos casos, la estructura, la forma del espacio, son distintas en el interior y en el exterior del sistema. Podemos decir que la irreversibilidad crea una diferenciacin; el interior del sistema resulta distinto del exterior, exactamente como en el interior de un sistema viviente tiene una estructura y una composicin qumica, completamente distinta a la del mundo exterior.El sistema adopta ritmos distintos segn sean las condiciones. La reversibilidad conduce a la autonoma; cambios pequeos en el medio llevan a comportamientos internos distintos abriendo la posibilidad de que el sistema se adece al mundo externo. Esto lleva a comprender que la vida no se nutre solamente de qumica sino que ha incorporado la gravitacin, el campo electromagntico, etc.Cuando juego a la ruleta, aunque lo haga mil veces, no queda nada del pasado, mientras que en un sistema dinmico incluso el carcter casual es resultado del propio sistema dinmico. Lo impresionante es que en la naturaleza se encuentra variedad donde se espera estabilidad y a la inversa. Por qu el mundo est hecho preferentemente de partculas de materia y no de antimateria? Por qu hay tantas molculas de quiralidad levgira y tan pocas dextrgiras?------------------------------------------------------------------------------Se puede aplicar a la neurofisiologa el mismo mtodo usado para el clima, es decir, estudiar el potencial elctrico sucesivo en funcin del potencial elctrico precedente. En estado de vigilia el carcter casual es enorme: a un valor dado puede corresponderle otro cualquiera. En el sueo profundo, en cambio, la situacin es menos casual. Podemos analizar la diferencia entre vigilia y sueo desde el punto de vista de los atractores extraos. El sistema neurofisiolgico es tan altamente inestable que sigue funcionando durante el sueo como un sistema dinmico muy complejo. Cuando se pasa del sueo a la vigilia emergen claramente dos hechos: la dimensionalidad aumenta y el sistema se hace ms complejo. En segundo lugar no se trata ya de un sistema dinmico cerrado. En vigilia el sistema ya no es completo, cerrado sobre s mismo, sino que contiene elementos venidos del mundo externo.-------------------------------------------------------------------------------Cul es el papel del tiempo? Tenemos el astronmico, el tiempo de la dinmica, y tambin un tiempo qumico en nosotros mismos, pero este es un tiempo pobre que solamente existe mientras se alimenta la reaccin. Con la vida la situacin cambia radicalmente; con la inscripcin del cdigo gentico tenemos un tiempo interno biolgico que prosigue a lo largo de miles de millones de aos de la vida misma, y este tiempo autnomo de la vida no solo se trasmite de una generacin a otra, sino que su mismo concepto se modifica: se produce un perfeccionamiento evolutivo. Es la irreversibilidad en accin, en la autonoma de los seres que tienden a hacerse cada vez ms independientes del mundo externo.Se puede decir que las biomolculas son molculas orgnicas cuya simetra ha sido rota por la irreversibilidad ( de hecho hay que leer las biomolculas en cierto orden, de izquierda a derecha, tal como se lee este texto). Esta ruptura de la simetra espacial es la expresin de la ruptura de simetra entre pasado y futuro. En todos los fenmenos que observamos vemos el papel creativo de los fenmenos irreversibles, el papel creativo del tiempo.En la concepcin clsica, la irreversibilidad estaba ligada a la entropa, y esta a su vez, a una probabilidad. Cmo se entenda a la probabilidad? Para Boltzmann que haba tenido la idea de expresar la irreversibilidad a travs de la probabilidad, la respuesta era: la probabilidad naca de nuestra ignorancia de las trayectorias exactas. De manera que la irreversibilidad era la expresin de nuestra ignorancia. Hoy ante el papel creativo de los fenmenos irreversibles, esta concepcin no puede sostenerse.Ahora debemos ir ms all, entender que la estructura del espacio - tiempo est ligada a la irreversibilidad, o que la irreversibilidad expresa tambin una estructura del espacio - tiempo. El mensaje del segundo principio de la termodinmica no es un mensaje de ignorancia sino que expresa la estrructura del universo. Los sistemas dinmicos que estn en la base de la qumica, de la biologa, son sistemas inestables que se dirigen hacia un futuro que no puede ser determinado apriori porque tendern a cubrir tantas posibilidades, tanto espacio, como tengan a su disposicin.Tenemos que examinar el sentido del segundo principio: en vez de un principio negativo, de destruccin, vemos emerger otra concepcin del tiempo.La Fsica clsica haba producido solamente dos nociones de tiempo: el tiempo- ilusin de Einstein y el tiempo- degradacin de la entropa. Pero estos dos tiempos no se aplican a la situacin actual.En sus primeros instantes, el universo, todava muy pequeo y muy caliente, era un universo de equilibrio. Ahora se ha transformado en cambio en un universo de no- equilibrio. La misma existencia de materia y no de antimateria es prueba de una ruptura de simetra. La mecnica que, trata de puntos materiales, se ocupa en realidad de una de las manifestaciones de la irreversibilidad. No habra puntos materiales, no habra objetos, en un universo en equilibrio.La evolucin del universo no ha sido en la direccin de la degradacin sino en la del aumento de la complejidad, con estructuras que aparecen progresivamente a cada nivel, de las estrellas y las galaxias a los sistemas biolgicos.Hay quienes creen que el porvenir del universo slo podr ser una repeticin suya, segn la idea de que el tiempo no es ms que una ilusin; o bien consistir en una inevitable decadencia, debida al agotamiento de los recursos, como prevee la termodinmica clsica. La realidad es ms compleja: a tiempos largos y a nivel cosmolgico estn implicadas tanto la gravitacin como la entropa y el juego de ambas est muy lejos de ser aclarado.No podemos prever el porvenir de la vida, o de nuestra sociedad, o del universo. La leccin del segundo principio es que este porvenir permanece abierto, ligado como est a procesos siempre nuevos de transformacin y de aumento de la complejidad. Los desarrollo recientes de la termodinmica nos muestran un universo en el que el tiempo no es ni ilusin, ni disipacin, sino creacin.---------- 000 ----------