¿Por qué la materia trata de ir a un estado de menor energía?

Un sistema pasará a un estado de energía más bajo si tiene un medio de transferir energía a su entorno, y si al hacerlo, la entropía total del sistema y sus alrededores aumenta.

Como ejemplo, considere dejar caer una pelota al suelo. Inicialmente, estás sosteniendo la pelota en el aire, y tiene algo de energía potencial gravitacional. Luego sueltas la pelota y, a medida que cae, la energía potencial se convierte en energía cinética, pero la energía total es constante. Luego golpea el suelo, tal vez rebota un par de veces y luego descansa. La pelota ahora está en un estado de energía más bajo de lo que estaba inicialmente. Debido a la conservación de la energía, sabemos que la energía de la pelota debe haber ido a algún lado. De hecho, se ha convertido en ondas de sonido en el suelo o en el aire, o en calor (vibraciones atómicas aleatorias) producidas debido a la deformación de la pelota o del suelo. Así que esto no es nada terriblemente interesante hasta ahora.

Pero la pregunta es, ¿por qué no ocurre el proceso inverso? ¿Por qué nunca ves ondas de sonido en el suelo y el aire, y vibraciones atómicas aleatorias convergen todas simultáneamente en la pelota en reposo para arrojarla de vuelta al aire? No hay nada en principio para evitar que esto suceda. Pero sería inconcebiblemente improbable. Esta idea se expresa como la segunda ley de la termodinámica: el aumento de la entropía.

La entropía se define como el logaritmo de la cantidad de formas en que se puede organizar un sistema para proporcionar el comportamiento macroscópico observado. Para una energía particular, solo hay una forma en que la bola puede moverse hacia arriba: la entropía de esta situación es cero (log (1) = 0). Sin embargo, cuando esa energía tiene la forma de millones o miles de millones o más de ondas de sonido o vibraciones atómicas, hay una gran cantidad de formas en que los átomos podrían estar vibrando. La entropía de esta situación es grande. De todas las formas posibles en que los átomos pueden estar vibrando, solo una fracción muy pequeña resultará en arrojar la pelota al aire. Esta fracción es tan increíblemente pequeña, que simplemente decimos que nunca sucederá, y la pelota permanecerá para siempre en el estado de baja energía.