La sorprendente conexión entre la entropía y la fascinación del universo y la naturaleza por las espirales en todas sus formas
Las espirales están en todas partes, desde el ADN hasta las galaxias. Un estudio revela que este patrón no es casualidad, sino una consecuencia de la entropía y la estructura del universo.
Del ADN a las galaxias: la sorprendente conexión entre la entropía y la fascinación de la naturaleza por las espirales en todas sus formas. Fuente: ChatGPT + Classical and Quantum Gravity
Eugenio M. Fernández Aguilar
Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital
Creado: 19.03.2025
La naturaleza está llena de formas sorprendentes, pero pocas son tan recurrentes como la espiral. Se observa en la disposición de las semillas de un girasol, en la concha de los caracoles, en la doble hélice del ADN e incluso en la estructura de las galaxias. ¿Por qué este patrón aparece en tantos contextos distintos? Un estudio sugiere que la respuesta está en un concepto fundamental de la física: la entropía.
Un equipo de investigadores ha analizado la relación entre la entropía y la geometría del universo, proponiendo que las espirales no son una simple coincidencia, sino una manifestación natural del orden subyacente en la evolución del cosmos. En su trabajo, Ahmed Farag Ali y Aneta Wojnar reformulan el concepto de entropía en términos de una estructura toroidal, lo que podría explicar por qué el universo parece preferir los movimientos curvos y en espiral en lugar de estructuras completamente simétricas o aleatorias.
La entropía y su papel en la organización del universo
Desde hace siglos, la entropía ha sido interpretada como una medida del desorden en un sistema físico. En términos simples, un sistema tiende a evolucionar hacia estados más probables, lo que suele traducirse en un aumento de su entropía. Sin embargo, esta visión no explica por qué ciertas estructuras emergen de manera recurrente en la naturaleza.
Jacob Bekenstein propuso que la entropía de cualquier sistema físico está limitada por su energía y el tamaño de la región en la que se encuentra. Más tarde, Raphael Bousso refinó esta idea al vincular la entropía con la superficie de la esfera que encierra el sistema. No obstante, Ali y Wojnar argumentan que este enfoque es incompleto, ya que el universo no tiende a formar esferas perfectas, sino estructuras más dinámicas, como espirales y toros.
Esta imagen representa un 3-toro asociado al límite de Bekenstein, una formulación clave en la física teórica que vincula la entropía con la geometría del espacio-tiempo. Fuente: Classical and Quantum Gravity
Del ADN a las tormentas: la omnipresencia de las espirales
Las espirales aparecen en múltiples escalas y en diferentes disciplinas científicas:
- Biología: La doble hélice del ADN, la forma en la que crecen ciertas plantas o la disposición de los tentáculos en algunas especies marinas.
- Meteorología: Huracanes y tornados siguen trayectorias en espiral debido a la rotación terrestre y la dinámica de los vientos.
- Cosmología: La Vía Láctea y muchas otras galaxias presentan brazos espirales que se extienden desde su núcleo.
La pregunta es evidente: ¿por qué la espiral es un patrón tan recurrente? Según el estudio, la entropía no solo conduce al desorden, sino que puede dar lugar a estructuras altamente organizadas, como los toros y las espirales.
Vista artística de una galaxia espiral. Fuente: ChatGPT / E. F.Un modelo de entropía basado en geometría toroidal
Ali y Wojnar proponen una reformulación geométrica del límite de entropía, reemplazando la idea de una esfera envolvente por la de un toro tridimensional. En su modelo, el radio interno del toro corresponde al radio de Schwarzschild, mientras que el radio externo coincide con la mínima esfera que encierra el sistema. Esta visión permite explicar por qué la naturaleza parece evitar estructuras esféricas perfectas en favor de configuraciones más dinámicas.
En su trabajo, los autores afirman: "En lugar de visualizar la entropía en términos de la esfera envolvente, llegamos a una representación toroidal, donde el radio interno es el de Schwarzschild y el radio externo sigue siendo el de la esfera mínima circundante". Este enfoque, argumentan, proporciona una descripción más precisa de la evolución de los sistemas físicos.
Ilustración de un huracán desde el espacio. Fuente: ChatGPT / E. F.Implicaciones en la física cuántica y la cosmología
Uno de los aspectos más sorprendentes del modelo es su impacto en la física cuántica. En la teoría cuántica tradicional, el principio de incertidumbre de Heisenberg establece un límite fundamental en el conocimiento simultáneo de ciertas propiedades de una partícula, como su posición y momento. Sin embargo, el nuevo modelo geométrico sugiere que la incertidumbre no es simplemente una restricción, sino una propiedad estructural del universo.
Según Ali y Wojnar, cuando la entropía se describe en términos de la geometría toroidal, el principio de incertidumbre puede reformularse como una igualdad exacta, en lugar de una simple desigualdad. Este hallazgo sugiere que el aparente caos en la mecánica cuántica es, en realidad, una forma de orden subyacente.
En términos cosmológicos, el estudio también podría ofrecer una nueva perspectiva sobre la energía oscura. La discrepancia entre la energía del vacío predicha por la teoría cuántica de campos y la observada en el universo ha sido un problema sin resolver durante décadas. Ali y Wojnar sugieren que esta discrepancia desaparece cuando se incorpora su modelo toroidal de entropía.
La espiral como principio fundamental de la naturaleza
Lejos de ser una mera curiosidad, la presencia de espirales en la naturaleza parece estar vinculada a leyes fundamentales del universo. Si la entropía sigue un patrón toroidal en lugar de un modelo esférico, los movimientos en espiral no serían una anomalía, sino una consecuencia natural del desarrollo del cosmos.
Este estudio plantea un cambio de perspectiva en la comprensión de la entropía, la incertidumbre cuántica y la estructura del universo. Como afirman los autores, la espiral no es solo una forma; es el reflejo de un orden oculto en la evolución del espacio, la materia y la energía.
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Referencias
Ahmed Farag Ali y Aneta Wojnar, A covariant tapestry of linear GUP, metric-affine gravity, their Poincaré algebra and entropy bound, Classical and Quantum Gravity. DOI: 10.1088/1361-6382/ad3ac7.
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