Ciencia. Boltzmann: la innovación probabilística

Boltzmann fue un científico austríaco que hizo importantes aportes en teoría cinética de los gases. Fundó la mecánica estadística al combinar métodos estadísticos con leyes deterministas. Postulaba la existencia de los átomos en una época en que la teoría atómica aún no había sido aceptada. Buscó establecer cómo la interacción de los átomos determina las propiedades visibles de la materia tales como presión, densidad, viscosidad. Aplicó estas ideas a la termodinámica, buscando demostrar que la segunda ley, la de la entropía, que se regía por fluctuaciones, también podía ser estudiada con métodos estadísticos. La termodinámica es la rama de la física que estudia la interacción entre el calor y la energía; habiendo pérdida de energía en toda producción de calor, nació de la necesidad de controlar la pérdida de calor en las primeras máquinas de vapor, energía que se pierde. De allí nace el concepto de entropía, que para Boltzmann, se origina en el crecimiento del desorden que el calor produce a nivel atómico; este es su aporte más profundo. Ludwig Boltzmann nació en 1844 en Viena, en 1867 se doctoró en Física, ocupó distintas cátedras y enseguida se destacó como una autoridad en mecánica estadística. Algunos científicos contemporáneos lo atacaron pues no admitían que hubiera leyes de la naturaleza que no fueran por completo deterministas. Se quitó la vida en 1906. El motivo del suicidio se cree relacionado con el rechazo de sus ideas por parte de la comunidad científica.

La termodinámica, ya desarrollada, trataba con métodos muy eficientes los problemas de intercambio de energía entre sistemas físicos. Boltzmann, consideraba estos sistemas formados por millones de átomos, cuyo comportamiento conjunto se podía llegar a predecir mediante métodos estadísticos.

Esto anticipaba una de las ideas básicas de la física cuántica: los sistemas intercambian energía de una forma discreta, no continua. Max Planck, en 1900, que en un principio no había aceptado estas ideas, no tuvo más remedio que utilizar los métodos estadísticos de Boltzmann para poder resolver el problema del espectro del cuerpo negro, resolución que puede ser considerada como el trabajo fundacional de la mecánica cuántica. Fue Planck además quien escribió por primera vez, en la forma en que se conoce actualmente, la relación de proporcionalidad que Boltzmann había establecido entre la entropía de un sistema y el número de formas de ordenación posibles de sus átomos constituyentes: S = K Log W, donde K es la constante de Boltzmann, W el número de formas de ordenación posibles y S la entropía del sistema.

Planck pasó a ser uno de los más firmes defensores de las ideas de Boltzmann. Pocos meses después de la muerte de éste, Albert Einstein publicó, en 1906, su famoso artículo sobre el movimiento browniano (movimiento aleatorio de partículas diminutas suspendidas en un fluido), en el que utilizó los métodos de la mecánica estadística para explicar dicho movimiento y propuso métodos cuantitativos que contribuirían de forma decisiva a la aceptación de los átomos como entidades con existencia real.

Dos años después de su suicidio, los trabajos de Jean Perrin (1908-1909) confirmaron la constante de Boltzmann, convenciendo a la comunidad científica de la existencia de los átomos.

En la tumba de Boltzmann, en el cementerio central de Viena, se encuentra grabada la ecuación que describe la entropía, que para él se incrementa casi siempre: S = k log W.

La termodinámica es la única rama de la física que no vio alterados sus conceptos ni por el surgimiento de la mecánica cuántica ni por la teoría de la relatividad. Los desarrollos de Boltzmann sin embargo, a pesar de su inconmensurable aporte, no tienen aceptación unánime todavía en el campo de la ciencia. Ha encontrado un defensor en Ilya Prigogine, Premio Nobel de Química de 1977, quien señala que "la producción de entropía contiene siempre dos elementos dialécticos: un elemento creador de desorden, pero también un elemento creador de orden. Y los dos están siempre ligados". “El trabajo de una vida de uno de los más grandes físicos teóricos de todos los tiempos, Ludwig Boltzmann, fue hacer la primera interpretación microscópica del aumento de entropía… De igual modo que en el caso de Darwin, evolución, probabilidad y azar, están estrechamente relacionados”. Prigogine asocia a ambos autores en la descripción del papel que juega la auto-organización de la materia en las estructuras de la vida.

Fuentes: D. Ruelle, Azar y caos, Ed. Alianza, 1995. I. Prigogine, ¿Tan solo una ilusión?, Tusquets, 1988.