A mediados del siglo XIX se descubrieron, y aceptaron, una serie de principios científicos que habían de marcar de forma decisiva el desarrollo de la ciencia posterior, así como la visión de la relación del ser humano con el mundo.
La ciencia ponía sobre la mesa varias cuestiones. Por una parte, la termodinámica, con el concepto de energía, unificaba de alguna forma, las diferentes manifestaciones de las fuerzas clásicas; por otro lado, la teoría atómica de la materia superaba el atomismo clásico y especulaba sobre la constitución de la materia con medidas y datos numéricos; finalmente, la teoría de la evolución de las especies de Darwin ponía a prueba las tesis creacionistas, apuntando la idea de que todos los seres vivos tenían un origen común. Estas teorías estaban estrechamente relacionadas, tanto por su desarrollo en el tiempo, como por los temas de que se ocupaban.
En 1850, J. P. Joule (1818-1889) y J. R. von Mayer (1814-1878), estudiaron el equivalente mecánico del calor y propusieron, de alguna forma, que la cantidad de energía se conservaba. H. von Helmholtz (1821-1894 estudió la energía en campos eléctricos y magnéticos y afirmó que la energía, en cualquier sistema físico aislado, permanecía invariable a lo largo del tiempo, aunque se transformara pasando de energía eléctrica a mecánica, a química o calorífica. Helmholtz estaba estudiando el metabolismo de los músculos cuando publicó su libro Über die Erhaltung der Kraft (1847) (Sobre la conservación de la fuerza), en este trabajo, utilizó el término fuerza en el sentido moderno de energía y afirmaba, de forma general, resuelta y claramente, una idea que los científicos habían observado en diferentes campos y que sólo expresaban vagamente y era la imposibilidad crear una fuerza motriz duradera a partir de nada (y los músculos extraían su energía de la asimilación de los alimentos).
El atomismo, como teoría científica, apareció a comienzos del siglo XIX con J. Dalton (1766-1844) que descubrió la ley de las proporciones múltiples, que cumplían los pesos de los elementos que participaban en una reacción química, y, a partir de esas proporciones, formuló una teoría sobre la naturaleza y la estructura de la materia que hacía revivir el atomismo griego y se conoce como modelo atómico de Dalton. Este modelo atómico se mantuvo vigente a lo largo del siglo XIX. A. Avogadro (1776-1866) para ello, se apoyó en la teoría atómica de Dalton y en la Ley de Gay-Lussac (1778-1850) volúmenes iguales de gases diferentes, en las mismas condiciones de presión y temperatura, contienen el mismo número de moléculas”, quien, en 1811, propuso por primera vez que el volumen de un gas (a una determinada presión y temperatura) era proporcional al número de átomos, o moléculas, independientemente de la naturaleza del gas. Avogadro calculó lo que se conoce como número de Avogadro, que es el número de partículas constituyentes (átomos o moléculas) que se encuentran en la cantidad de una sustancia de un mol. Experimentalmente y mediante la ley de los gases ideales, se ha podido demostrar que el volumen que ocupa un mol de cualquier gas ideal a 273,15 oK (0 °C) y 1 Atm es de 22,4 litros. Por tanto, es la constante de proporcionalidad que relaciona la masa molar de una sustancia con la masa de una muestra. El concepto de mol se puede usar para convertir entre la masa y el número de partículas. 6.022 × 10²³
Pero la física se regía por unas leyes fijas, que mostraban un orden y una regularidad del comportamiento del mundo (leyes de Kepler, de Newton, de Faraday..). Mientras que si se aceptaba la teoría atómica de la materia, en la que los átomos y las moléculas se movían aleatoriamente, había que explicar cómo el comportamiento caótico de las partículas se mostraba a nivel macroscópico con una conducta regular expresable en leyes.
Había científicos, como E. Mach (1838-1916) y W. Ostwald (1853-1932) que rechazaban de forma contundente el atomismo, como una idea metafísica y especulativa, a la que se había llegado por mediciones de entes y que nadie había observado. Precisamente Mach, en Análisis de las sensaciones y la relación entre lo físico y lo psíquico (1886) mantenía que a los átomos nadie los había visto y sostenían que para la ciencia no podía haber otras declaraciones admisibles que las comprobadas empíricamente y que las hipótesis de los químicos, como Dalton, no dejaban de ser meras especulaciones filosóficas. Estos científicos coincidían con el filósofo alemán R. Avenarius (1843-1896) en una corriente denominada empírico-criticista, que eliminaba del concepto de experiencia todas las opiniones no constatadas por lo dado, de ese modo, conceptos como substancia, necesidad o causalidad, quedaban excluidos por considerarlos aportaciones apriorísticas de nuestra percepción.
El gran físico L. Boltzmann (1844-1906) tuvo que luchar contra el positivismo radical decimonónico de físicos como Ostwald o Mach. Y logró explicar el paso del caos que se daba en el mundo microscópico a las regularidades que se apreciaban en el mundo macroscópico. Lo hizo en el campo de la termodinámica explicando el segundo principio, enunciado por Lord Kelvin y R. Clausius, recurriendo a las probabilidades.
Lord Kelvin en 1847 afirmaba que la energía no podía crearse ni destruirse (primer principio de la termodinámica) , sin embargo la energía térmica perdía su capacidad de realizar trabajo (por ejemplo, levantar un peso) cuando se transfería de un cuerpo caliente a otro frío. En 1852 sugirió que, en la conducción del calor, la energía no se perdía sino que se disipaba o dejaba de estar disponible, lo que implicaba una ley natural que expresaba la direccionalidad de los procesos naturales. Para medir la parte de la energía no utilizable para realizar trabajo apareció el concepto de entropía. Con el que Clausius formuló la primera y la segunda leyes de la termodinámica en su frase La energía del universo es constante, y su entropía tiende a un máximo.
Boltzman logró explicar ese fenómeno de la energía que se mantiene constante en valor absoluto, pero que se va degradando y perdiendo su utilidad para producir trabajo desde la postura atomista. Partiendo de la idea de J. C. Maxwell que publicó en 1871 un experimento mental intentando demostrar (partiendo del atomismo) que no siempre el calor tenía que fluir de un cuerpo de mayor temperatura a otro de menor. Para ello imaginó una caja llena de partículas y un duendecillo microscópico (Kelvin lo llamaría el demonio de Maxwell) que controlaba una trampilla en una pared que separaba un gas frío de otro caliente. El demonio podría elegir dejar pasar, desde el gas frío sólo aquellas moléculas del gas que se movieran más deprisa que el promedio de las moléculas del gas caliente.
En 1877 que Boltzmann encontró una solución a a la interpretación atomista de la segunda ley sw la termodinámica en el sentido del demonio de Maxwell. Según el cálculo de Boltzmann a cada estado macroscópico (T, P y V) de un sistema le corresponden muchos microestados (distribuciones concretas de la energía entre las moléculas del sistema) que Boltzmann consideraba que eran igualmente probables. Por lo tanto, la probabilidad de un macroestado dependerá del número de microestados que se corresponden con él. Y explicó el crecimiento de la entropía formulando la ley observando que los sistemas termodinámicos tienían tendencia a evolucionar hacia los macroestados más probables, que eran aquellos que eran compatibles con un mayor número de microestados. Una disminución de entropía era improbable, pero no imposible.
Desde esta posición en una conferencias pronunciada en 1886, Boltzman relacionó la teoría de la selección natural con la disponibilidad de energía. A mediados del siglo XIX la energía, con sus promesas y miserias, se había situado en el centro de la ciencia, de la industria, del transporte, de la economía y, por consiguiente, de la política. Pero Boltzmann hizo una notable afirmación:
Si me preguntaran por mi más íntima convicción en cuanto a si nuestro siglo debe considerarse el siglo del hierro, o el del vapor o el de la electricidad, le contestaría sin vacilación que será conocido como el siglo de la visión mecánica de la naturaleza, el siglo de Darwin.
Ch. R. Darwin (1809-1882) y su teoría de la evolución de las especies mediante la selección natural (1859) ha sido una teoría que no sólo han tenido enorme influencia en la ciencia, sino también en la filosofía y en la concepción que tenemos del mundo y de nosotros mismos .
Boltzmann consideraba que el siglo XIX era, sin duda, “el siglo de Darwin” al mostrar que la inmutabilidad de las especies era sólo una apariencia. Admiraba profundamente al naturalista que había sido capaz de concebir la vida como un proceso continuo de evolución. La vida era como un río que fluía, siempre era el mismo río pero siempre diferente,
Darwin propuso una teoría que entonces pareció descabellada: todos los seres vivos compartian la herencia genética de un único y remoto antepasado común. A partir de ese único organismo ancestral, la vida se diversificó después en la multitud de formas que hoy pueblan nuestro mundo.
Precisamente el profesor A. Fernández-Rañada (1939-2022) en un artículo publicado el suplemento del diario El Mundo, 6-12 de febrero de 2009 (El Cultural) dedicado a la teoría de la evolución titulado Una mirada desde la Física afirmaba que el descubrimiento esencial de Darwin fue el de la unidad de la vida, que se manifiesta en una evolución temporal irreversible (por lo complejo de la evolución) que no admitía marcha atrás. Las nociones biológicas de unidad (implica antepasado común de todos los seres vivos) e irreversibilidad (debido al aumento de la entropía en procesos naturales) se corresponden a las de unificación (de la energía) y flecha del tiempo en la Física.
A pesar de lo que nos venían indicando de las ecuaciones de la mecánica newtoniana, el comportamiento del mundo era empecinadamente irreversible: Boltzman resolvió la paradoja que presentaban las leyes deterministas de la física con el régimen caótico de las partículas. Lo logró interpretando en términos probabilistas la entropía, concepto difícil y sutil que, con la nueva visión proporcionaba una medida del desorden de un sistema o una apreciación de la incertidumbre que se tiene sobre los detalles de su estado. Consiguió probar que es altísimamente improbable que un proceso complejo llegue a dar marcha atrás, por ejemplo, que un vaso que se rompe al caer vuelva a recomponerse, y juntarse de nuevo y espontáneamente de sus fragmentos.
Sin embargo, su descubrimiento fue una de las ideas más importantes de la física, pues la probabilidad de que un proceso dé marcha atrás invirtiendo la flecha del tiempo es tan pequeña que puede despreciarse en la práctica.
En el siguiente comentario, Boltzmann anticipa el punto de vista molecular de la biología actual:
La lucha general por la existencia de los seres vivos, por tanto, no es una lucha por los elementos – los elementos de todos los organismos están disponibles en abundancia en el aire, el agua y el suelo – ni por la energía, que es abundante en forma de calor […] en cada cuerpo. Es más una lucha por la entropía que se vuelve disponible a través del flujo de energía desde el cálido Sol hasta la fría Tierra. Para hacer el uso más completo de esta energía, las plantas extienden la inconmensurable superficie de sus hojas y aprovechan la energía del Sol mediante un proceso aún inexplorado, antes de caer al nivel de temperatura de la Tierra, dirigiendo síntesis químicas que todavía no han dejado indicios en nuestros laboratorios. Los productos de esta “cocina química” son el objetivo de la lucha en el mundo animal.
La semejanza entre las investigaciones de Boltzmann y Darwin es asombrosa. Darwin estudió poblaciones, no individuos, para comprender cómo actuaba la selección natural favoreciendo las variaciones de la especie que permiten una mejor adaptación al medio. Boltzmann consideró poblaciones de partículas para tener en cuenta un efecto que se perdería estudiando partículas individuales: las colisiones.
