Information, order, complexity, and entropy in materials including biological systems: a thermodynamic theory based on state variables
Este artículo propone una teoría termodinámica unificada que resuelve las ambigüedades respecto a la entropía, la información y la complejidad en sistemas materiales y biológicos al redefinir las variables de estado como posiciones atómicas promediadas en el tiempo, distinguiendo así la entropía como la incertidumbre en estas variables en lugar de la información misma, preservando al mismo tiempo la tercera ley.
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La entropía es una palabra que aparece con frecuencia en las discusiones sobre la tendencia del universo hacia el caos, pero en el estudio científico de los materiales, es una medida precisa del estado de un sistema. Durante más de un siglo, los físicos han utilizado la termodinámica para describir cómo se mueve la energía y cómo los sistemas alcanzan el equilibrio. Un pilar central de este campo es la idea de que la entropía es una función de estado, lo que significa que su valor depende únicamente de la condición actual del material, no de cómo llegó a ella. Este concepto funciona maravillosamente para los gases, donde el comportamiento del conjunto está determinado simplemente por la temperatura y el volumen. Sin embargo, cuando los científicos intentan aplicar estas mismas reglas a los sólidos, especialmente a los complejos como el vidrio o el ADN dentro de las células vivas, las definiciones comienzan a desdibujarse. Un punto de gran confusión ha sido si el "desorden" de la estructura interna de un material cuenta como entropía, o si ese desorden es en realidad una forma de información. Esta ambigüedad ha llevado a contradicciones, como la sugerencia de que algunos materiales podrían retener una cantidad oculta de entropía incluso al cero absoluto, lo que rompería una ley fundamental de la física conocida como la tercera ley.
Un investigador llamado Koun Shirai ha propuesto una nueva forma de resolver estas contradicciones regresando a las definiciones estrictas de la termodinámica y aplicándolas al mundo microscópico de los átomos. El núcleo del trabajo consiste en redefinir lo que significa que un sólido esté en equilibrio. Tradicionalmente, los científicos asumían que, para cualquier temperatura y volumen dados, un sólido solo podía existir en un único estado perfecto y libre de defectos. Shirai sostiene que esta visión es incompleta. En su lugar, sugiere que el verdadero estado de un sólido está definido por las posiciones específicas, promediadas en el tiempo, de cada uno de los átomos que lo componen. Debido a que los átomos en un sólido vibran alrededor de puntos fijos, estas posiciones promedio actúan como las coordenadas únicas del material. Esta perspectiva revela que un sólido puede existir en muchos estados de equilibrio diferentes simultáneamente, incluso a la misma temperatura, dependiendo de dónde se hayan asentado sus átomos.
Al establecer que estas posiciones atómicas son las variables fundamentales que definen el estado de un material, el artículo aclara la relación entre la entropía, el orden y la información. El autor concluye que la entropía no es una medida de la información almacenada en un material, ni es una medida del desorden. Más bien, la entropía mide la incertidumbre o las fluctuaciones térmicas asociadas con esas posiciones atómicas específicas. La información en sí misma —la estructura única que hace que un trozo de vidrio sea diferente de un cristal, o una secuencia específica de ADN diferente de otra— es transportada por las posiciones de los átomos mismos. Esta distinción permite a los científicos separar el concepto de "orden" de los patrones geométicos simples. Un material puede estar altamente ordenado y portar vastas cantidades de información incluso si carece de un patrón repetitivo de tipo cristalino, siempre y cuando sus posiciones atómicas permanezcan estables a lo largo del tiempo.
Este marco también resuelve el enigma de larga data de la "entropía residual", la idea de que algunos materiales parecen mantener un poco de entropía incluso cuando se enfrían al cero absoluto. El artículo explica que esta aparente entropía remanente es en realidad un artefacto de cómo la medimos. Cuando un material como el vidrio se enfría, los átomos se bloquean en una disposición específica que no pueden cambiar fácilmente. En términos termodinámicos, las variables que describían las múltiples disposiciones posibles a temperaturas más altas se vuelven "congeladas". Ya no fluctúan, por lo que dejan de contribuir a la entropía actual del sistema. El valor que calculamos como entropía residual es en realidad un recuerdo de los muchos estados en los que el material podría haber estado antes de congelarse, no una propiedad del estado en el que se encuentra ahora. Cuando la entropía se calcula correctamente basándose solo en las variables activas y fluctuantes del estado actual, cae correctamente a cero en el cero absoluto, preservando la tercera ley de la termodinámica.
Las implicaciones de este trabajo se extienden a cómo entendemos la complejidad y el procesamiento de información tanto en máquinas como en seres vivos. Si la información se define por el número de arreglos atómicos estables que un material puede albergar, entonces incluso un cristal simple es increíblemente complejo porque contiene miles de millones de átomos, cada uno con su propia posición. Esto explica cómo un chip de silicio puede almacenar cantidades masivas de datos; lo hace cambiando entre diferentes arreglos estables de defectos dentro del cristal, no siendo un desorden aleatorio. Del mismo modo, en biología, la diversidad de las formas de vida que surgen de un único código genético puede entenderse como el sistema moviéndose entre diferentes estados de equilibrio estables. El artículo sugiere que la evolución biológica y el procesamiento de información no son violaciones de las leyes termodinámicas, sino procesos de navegación entre estos estados estables, impulsados por flujos de energía que permiten al sistema superar las barras que los separan. Al fundamentar estos conceptos en el comportamiento preciso de los átomos, el estudio ofrece una visión unificada donde las leyes de la física se aplican de manera consistente, desde el cristal más pequeño hasta el organismo vivo más complejo.
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