¿Qué es la entropía? Quizás la primera respuesta que se te viene a la cabeza es el desorden. Y no está mal del todo, pues a pesar de ser un término mucho más amplio utilizado en las matemáticas para detallar procesos termodinámicos, es posible interpretarlo como una especie de desorden.

Sin embargo, resulta algo decepcionante que un concepto que engloba una belleza y una elegancia tan grande quede simplemente etiquetado bajo la palabra “desorden”, olvidando su factor como protagonista en escenarios relacionados con la física, el traspaso de información y la biología.

UN CONCEPTO HISTÓRICO

El estudio de la entropía surgió en los primeros momentos del siglo XIX, cuando la física de la época comenzaba a adentrarse en territorios todavía inexplorados en aquel momento, buscando desafiar las percepciones sobre la naturaleza de la materia y la energía.

Para ser más exactos, el término nació gracias al ingenio del físico Rudolf Clausius, mientras este formulaba su segunda ley de la termodinámica. En ella, introducía el concepto de entropía como una medida que engloba la cantidad de energía que no puede realizar trabajo útil en un proceso termodinámico. En otras palabras, como una medida del desorden irreversible de un sistema cerrado.

Se trataba de un primer acercamiento entre entropía y caos que llamó mucho la atención de la comunidad científica.

En concreto, Ludwing Boltzmann se interesó mucho por ese concepto. De hecho, fue él quien llevó la entropía a nuevas alturas, desligándola de sistemas al completo y vinculándola al comportamiento estadístico de partículas individuales.

Hacia finales del siglo XIX, Boltzmann desarrolló la teoría cinética de gases, en la cual conectaba la entropía con la probabilidad de las estructuras microscópicas: demostró que la entropía no era solo un concepto abstracto, sino que una medida concreta del número de estados microscópicos asociados a uno macroscópico.

COMO UN CALEIDOSCOPIO

Así, al acercarse al mundo microscópico, las partículas comienzan a parecer pequeñas motas en un caleidoscopio en constante movimiento. De una forma muy similar apreciaba Boltzmann los gases, asumiendo que era la entropía la que gobernaba el movimiento de todas esas minúsculas partículas, definiendo su movimiento, sus colisiones o sus rebotes. Cuanto mayor era la danza de esos estados microscópicos, mayos se percibía la entropía del sistema macroscópico.

Caleidoscopio
iStock

Ilusión óptica de un caleidoscopio. Al igual que en él, el desorden y movimiento de las partículas microscópicas determinan el estado del sistema macroscópico al completo.

Más allá de la mera apariencia de un caos, la entropía se vincula con la probabilidad y la variabilidad de todas las configuraciones microscópicas, siendo estas la llave maestra para entender los comportamientos que se perciben en sistemas más grandes, densos y completos.

Gracias a este enfoque, la percepción de este concepto cambió por completo, pasando de ser una simple medida de desorden a una herramienta para entender, prever y estudiar la relación entre el mundo microscópico y el macroscópico.

LA TEORÍA DE LA INFORMACIÓN

Fuera de los límites de la termodinámica, la entropía no pierde su significado. Así, por ejemplo, juega un papel muy importante en la teoría de la información, la cual sienta las bases para entender la comunicación y la transmisión de datos.

El padre de esta serie de planteamientos es Claude Shanon, quien con sus trabajos cambió completamente la forma en la que se percibe la información: en 1984 publicó cómo la entropía podía extrapolarse hasta convertirse en la medida fundamental de la información de un sistema. En este caso, la entropía que planteaba Shanon se desligaba por completo del desorden físico para convertirse en una cuantificación de la incertidumbre o de la falta de información.

En cuántica, esta teoría de la información es también válida. Así, la información cuántica, caracterizada por los qubits, puede caracterizarse según la entropía que presente, convirtiéndola en una herramienta esencial para comprender esa información y las propiedades relacionadas con los sistemas cuánticos.  De hecho, es justamente la entropía cuántica la que permite revelar propiedades del famoso entrelazamiento cuántico: en partículas entrelazadas, la información compartida debe ser también medida por la entropía.

BIOLOGÍA Y NATURALEZA

Asimismo, la entropía se puede manifestar en la organización y la evolución de los sistemas vivos. Así, aunque la vida parece desafiar la tendencia hacia el desorden predicha por aquella segunda ley de la termodinámica, la entropía juega un papel fundamental en ella. Así, en procesos clave como la replicación del ADN o la evolución por selección natural.

Por ejemplo, en la replicación del ADN, la entropía facilita la dispersión de los nucleótidos en el entorno acuoso en el que se encuentran. Este incremento favorece la formación de nuevos enlaces químicos durante la síntesis del ADN, equilibrando a su vez la necesidad de liberar energía y manteniendo la estabilidad estructural de la doble hélice. Es un equilibrio delicado pero que, al final, asegura la eficiencia y la fidelidad en la replicación.

Sin embargo, la entropía en la biología no solo se limita a nivel molecular. Se extiende también a la organización de los ecosistemas, donde la diversidad y la complejidad se equilibran en una combinación elegante y sutil. En este contexto, la entropía se convierte en toda una herramienta indispensable para comprender la interconexión y la adaptabilidad de los seres vivos en su entorno.

Más Sobre...
Física