Muerte por calor del universo - Heat death of the universe

La muerte térmica del universo (también conocida como Big Chill o Big Freeze ) es una hipótesis sobre el destino final del universo , que sugiere que el universo evolucionaría a un estado sin energía libre termodinámica y, por lo tanto, no podría sostener procesos. que aumentan la entropía . La muerte por calor no implica ninguna temperatura absoluta en particular ; solo requiere que las diferencias de temperatura u otros procesos ya no se puedan explotar para realizar el trabajo . En el lenguaje de la física , esto es cuando el universo alcanza el equilibrio termodinámico .

Si la topología del universo es abierta o plana , o si la energía oscura es una constante cosmológica positiva (ambas son consistentes con los datos actuales), el universo continuará expandiéndose para siempre, y se espera que ocurra una muerte por calor, con el universo. enfriamiento para acercarse al equilibrio a una temperatura muy baja después de un período de tiempo muy largo.

La hipótesis de la muerte por calor surge de las ideas de Lord Kelvin , quien en la década de 1850 tomó la teoría del calor como pérdida de energía mecánica en la naturaleza (tal como se expresa en las dos primeras leyes de la termodinámica ) y la extrapoló a procesos más amplios a escala universal.

Orígenes de la idea

La idea de la muerte por calor proviene de la segunda ley de la termodinámica , de la cual una versión establece que la entropía tiende a aumentar en un sistema aislado . A partir de esto, la hipótesis implica que si el universo dura un tiempo suficiente, se acercará asintóticamente a un estado en el que toda la energía se distribuye uniformemente. En otras palabras, de acuerdo con esta hipótesis, existe una tendencia en la naturaleza a la disipación (transformación de energía) de la energía mecánica (movimiento) en energía térmica ; por tanto, por extrapolación, existe la opinión de que, con el tiempo, el movimiento mecánico del universo disminuirá a medida que el trabajo se convierta en calor debido a la segunda ley.

La conjetura de que todos los cuerpos del universo se enfrían y finalmente se vuelven demasiado fríos para sustentar la vida, parece haber sido planteada por primera vez por el astrónomo francés Jean Sylvain Bailly en 1777 en sus escritos sobre la historia de la astronomía y en la subsiguiente correspondencia con Voltaire. . En opinión de Bailly, todos los planetas tienen calor interno y ahora se encuentran en una etapa particular de enfriamiento. Júpiter , por ejemplo, todavía está demasiado caliente para que la vida surja allí durante miles de años, mientras que la Luna ya está demasiado fría. El estado final, en este punto de vista, se describe como uno de "equilibrio" en el que cesa todo movimiento.

La idea de la muerte por calor como consecuencia de las leyes de la termodinámica, sin embargo, fue propuesta por primera vez en términos laxos a partir de 1851 por Lord Kelvin (William Thomson), quien teorizó más sobre los puntos de vista de la pérdida de energía mecánica de Sadi Carnot (1824), James Joule (1843) y Rudolf Clausius (1850). Las opiniones de Thomson fueron luego elaboradas durante la siguiente década por Hermann von Helmholtz y William Rankine .

Historia

La idea de la muerte térmica del universo se deriva de la discusión de la aplicación de las dos primeras leyes de la termodinámica a los procesos universales. Específicamente, en 1851, Lord Kelvin esbozó el punto de vista, basado en experimentos recientes sobre la teoría dinámica del calor : "el calor no es una sustancia, sino una forma dinámica de efecto mecánico, percibimos que debe haber una equivalencia entre el trabajo mecánico y calor, como entre causa y efecto ".

Lord Kelvin originó la idea de la muerte por calor universal en 1852.

En 1852, Thomson publicó Sobre una tendencia universal en la naturaleza a la disipación de la energía mecánica , en la que esbozó los rudimentos de la segunda ley de la termodinámica resumida por la opinión de que el movimiento mecánico y la energía utilizada para crear ese movimiento tenderán naturalmente a disiparse. o agotado. Las ideas de este artículo, en relación con su aplicación a la edad del Sol y la dinámica del funcionamiento universal, atrajeron a personas como William Rankine y Hermann von Helmholtz. Se dijo que los tres intercambiaron ideas sobre este tema. En 1862, Thomson publicó "Sobre la edad del calor del Sol", un artículo en el que reiteró sus creencias fundamentales en la indestructibilidad de la energía (la primera ley ) y la disipación universal de la energía (la segunda ley), lo que lleva a la difusión de calor, cese del movimiento útil ( trabajo ) y agotamiento de la energía potencial a través del universo material, al tiempo que aclara su visión de las consecuencias para el universo como un todo. Thomson escribió:

El resultado sería inevitablemente un estado de reposo y muerte universales, si el universo fuera finito y se dejara obedecer las leyes existentes. Pero es imposible concebir un límite a la extensión de la materia en el universo; y, por tanto, la ciencia apunta más bien a un progreso sin fin, a través de un espacio infinito, de acción que implica la transformación de la energía potencial en movimiento palpable y, por tanto, en calor , que a un único mecanismo finito, que funciona como un reloj y se detiene para siempre.

En los años posteriores a los artículos de Thomson de 1852 y de 1862, Helmholtz y Rankine le dieron crédito a Thomson con la idea, pero leyeron más en sus artículos publicando puntos de vista que afirman que Thomson argumentó que el universo terminará en una " muerte por calor " (Helmholtz). que será el " fin de todos los fenómenos físicos " (Rankine).

Estado actual

Las propuestas sobre el estado final del universo dependen de las suposiciones hechas sobre su destino final, y estas suposiciones han variado considerablemente a lo largo de finales del siglo XX y principios del siglo XXI. En un supuesto universo "abierto" o "plano" que continúa expandiéndose indefinidamente, se espera que eventualmente ocurra una muerte por calor o un Big Rip . Si la constante cosmológica es cero, el universo se acercará a la temperatura del cero absoluto durante una escala de tiempo muy larga. Sin embargo, si la constante cosmológica es positiva , como parece ser el caso en observaciones recientes ( Premio Nobel de 2011 ), la temperatura será asíntota a un valor positivo distinto de cero, y el universo se acercará a un estado de máxima entropía en el que no habrá más el trabajo es posible.

Plazo para la muerte por calor

Desde el Big Bang hasta la actualidad, se cree que la materia y la materia oscura del universo se han concentrado en estrellas , galaxias y cúmulos de galaxias , y se presume que continuarán haciéndolo bien en el futuro. Por lo tanto, el universo no está en equilibrio termodinámico y los objetos pueden realizar un trabajo físico. : §VID El tiempo de desintegración de un agujero negro supermasivo de aproximadamente 1 masa de galaxia (10 11  masas solares ) debido a la radiación de Hawking es del orden de 10 100  años, por lo que se puede producir entropía hasta al menos ese momento. Se predice que algunos agujeros negros grandes en el universo continuarán creciendo hasta quizás 10 14 M durante el colapso de supercúmulos de galaxias. Incluso estos se evaporarían en una escala de tiempo de hasta 10 106 años. Después de ese tiempo, el universo entra en la llamada Era Oscura y se espera que consista principalmente en un gas diluido de fotones y leptones . : §VIA Con solo materia muy difusa restante, la actividad en el universo se habrá reducido drásticamente, con niveles de energía extremadamente bajos y escalas de tiempo extremadamente largas. De manera especulativa, es posible que el universo entre en una segunda época inflacionaria , o suponiendo que el estado de vacío actual es un vacío falso , el vacío puede decaer a un estado de menor energía . : §VE También es posible que la producción de entropía cese y el universo alcance la muerte por calor. : §VID Otro universo podría posiblemente ser creado por fluctuaciones cuánticas aleatorias o túneles cuánticos en aproximadamente años. Se sugiere que, durante vastos períodos de tiempo, eventualmente se produciría una disminución espontánea de entropía a través del teorema de recurrencia de Poincaré , fluctuaciones térmicas y teorema de fluctuación . Este escenario, sin embargo, ha sido descrito como "altamente especulativo, probablemente erróneo [y] completamente incontrolable". Sean M. Carroll , originalmente un defensor de esta idea, ya no la apoya.

Puntos de vista opuestos

Max Planck escribió que la frase "entropía del universo" no tiene significado porque no admite una definición precisa. Más recientemente, Walter Grandy escribe: "Es bastante presuntuoso hablar de la entropía de un universo del que todavía entendemos tan poco, y nos preguntamos cómo se podría definir la entropía termodinámica para un universo y sus principales constituyentes que nunca han estado en equilibrio. en toda su existencia ". Según Tisza : "Si un sistema aislado no está en equilibrio, no podemos asociarle una entropía". Buchdahl escribe sobre "la suposición totalmente injustificable de que el universo puede ser tratado como un sistema termodinámico cerrado". Según Gallavotti : "... no existe una noción de entropía universalmente aceptada para sistemas fuera de equilibrio, incluso cuando están en un estado estacionario". Al discutir la cuestión de la entropía para los estados de no equilibrio en general, Lieb e Yngvason expresan su opinión de la siguiente manera: "A pesar de que la mayoría de los físicos creen en tal entropía de no equilibrio, hasta ahora ha resultado imposible definirla de una manera claramente satisfactoria. . " En opinión de Landsberg: "El tercer concepto erróneo es que la termodinámica, y en particular, el concepto de entropía, puede aplicarse sin más investigación a todo el universo ... Estas preguntas tienen una cierta fascinación, pero las respuestas son especulaciones y mentiras más allá del alcance de este libro ".

Un análisis de 2010 de la entropía establece que "la entropía de un campo gravitacional general aún no se conoce" y "la entropía gravitacional es difícil de cuantificar". El análisis considera varias suposiciones posibles que serían necesarias para las estimaciones y sugiere que el universo observable tiene más entropía de lo que se pensaba anteriormente. Esto se debe a que el análisis concluye que los agujeros negros supermasivos son el mayor contribuyente. Lee Smolin va más allá: "Se sabe desde hace mucho tiempo que la gravedad es importante para mantener el universo fuera del equilibrio térmico. Los sistemas ligados gravitacionalmente tienen calor específico negativo, es decir, las velocidades de sus componentes aumentan cuando se elimina la energía ... un sistema no evoluciona hacia un estado de equilibrio homogéneo. En cambio, se vuelve cada vez más estructurado y heterogéneo a medida que se fragmenta en subsistemas ". Este punto de vista también está respaldado por el hecho de un descubrimiento experimental reciente de un estado estable de no equilibrio en un sistema cerrado relativamente simple. Cabe esperar que un sistema aislado fragmentado en subsistemas no necesariamente llegue al equilibrio termodinámico y permanezca en un estado estable de no equilibrio. La entropía se transmitirá de un subsistema a otro, pero su producción será cero, lo que no contradice la segunda ley de la termodinámica .

Ver también

Referencias