La entropía es una de las pocas cantidades en las ciencias físicas que requieren una dirección particular del tiempo, a veces llamada flecha del tiempo . A medida que se avanza en el tiempo,dicela segunda ley de la termodinámica , la entropía de un sistema aislado puede aumentar, pero no disminuir. Por tanto, la medición de la entropía es una forma de distinguir el pasado del futuro. En los sistemas termodinámicos que no están cerrados, la entropía puede disminuir con el tiempo, por ejemplo, los sistemas vivos donde la entropía local se reduce a expensas de un aumento ambiental (lo que resulta en un aumento neto de la entropía), la formación de cristales típicos, el funcionamiento de una refrigerador y dentro de los organismos vivos.
“El aumento del desorden o la entropía es lo que distingue el pasado del futuro, dando una dirección al tiempo”. - Stephen Hawking , Breve historia del tiempo
Al igual que la temperatura , a pesar de ser un concepto abstracto, todo el mundo tiene un sentido intuitivo de los efectos de la entropía. Por ejemplo, a menudo es muy fácil diferenciar entre un video que se reproduce hacia adelante o hacia atrás. Un video puede representar un fuego de leña que derrite un bloque de hielo cercano, reproducido al revés, mostraría que un charco de agua convirtió una nube de humo en madera sin quemar y se congeló en el proceso. Sorprendentemente, en cualquier caso, la gran mayoría de las leyes de la física no son violadas por estos procesos, siendo una excepción notable la segunda ley de la termodinámica . Cuando una ley de la física se aplica igualmente cuando se invierte el tiempo, se dice que muestra simetría T ; en este caso, la entropía es lo que permite decidir si el video descrito anteriormente se reproduce hacia adelante o hacia atrás, ya que intuitivamente identificamos que solo cuando se reproduce hacia adelante, la entropía de la escena aumenta. Debido a la segunda ley de la termodinámica, la entropía evita los procesos macroscópicos que muestran simetría T.
Al estudiar a escala microscópica, no se pueden hacer los juicios anteriores. Al ver una sola partícula de humo golpeada por el aire , no estaría claro si un video se estaba reproduciendo hacia adelante o hacia atrás y, de hecho, no sería posible ya que las leyes que se aplican muestran simetría en T, ya que se desplaza hacia la izquierda o hacia la derecha. cualitativamente no parece diferente. Solo cuando se estudia ese gas a escala macroscópica, los efectos de la entropía se vuelven notables. En promedio, esperaría que las partículas de humo alrededor de una cerilla encendida se alejen unas de otras y se difundan por todo el espacio disponible. Sería un evento astronómicamente improbable que todas las partículas se agruparan, pero no se puede comentar sobre el movimiento de una sola partícula de humo.
Por el contrario, ciertas interacciones subatómicas que involucran la fuerza nuclear débil violan la conservación de la paridad , pero solo muy raramente. [1] De acuerdo con el teorema CPT , esto significa que también deberían ser irreversibles en el tiempo , y así establecer una flecha de tiempo . Esto, sin embargo, no está vinculado a la flecha termodinámica del tiempo, ni tiene nada que ver con la experiencia diaria de la irreversibilidad del tiempo. [2]
Flecha del tiempo : ¿Por qué el universo tuvo una entropía tan baja en el pasado, lo que resultó en la distinción entre pasado y futuro y la segunda ley de la termodinámica ?
Descripción general
La Segunda Ley de la Termodinámica permite que la entropía permanezca igual independientemente de la dirección del tiempo. Si la entropía es constante en cualquier dirección del tiempo, no habría una dirección preferida. Sin embargo, la entropía solo puede ser una constante si el sistema se encuentra en el estado de desorden más alto posible, como un gas que siempre estuvo, y siempre estará, uniformemente esparcido en su contenedor. La existencia de una flecha termodinámica del tiempo implica que el sistema está altamente ordenado en una sola dirección temporal, que por definición sería el "pasado". Por tanto, esta ley se refiere a las condiciones de contorno más que a las ecuaciones de movimiento .
La Segunda Ley de la Termodinámica es de naturaleza estadística y, por tanto, su fiabilidad surge de la gran cantidad de partículas presentes en los sistemas macroscópicos. En principio, no es imposible que los 6 × 10 23 átomos de un mol de gas migren espontáneamente a la mitad de un recipiente; es sólo fantásticamente improbable, tan improbable que nunca se ha observado una violación macroscópica de la Segunda Ley. T La simetría es la simetría de las leyes físicas bajo una transformación de inversión de tiempo. Aunque en contextos restringidos uno puede encontrar esta simetría, el universo observable en sí mismo no muestra simetría bajo la inversión del tiempo, principalmente debido a la segunda ley de la termodinámica.
La flecha termodinámica a menudo está vinculada a la flecha cosmológica del tiempo, porque en última instancia se trata de las condiciones de frontera del universo primitivo. Según la teoría del Big Bang , el Universo estaba inicialmente muy caliente con energía distribuida uniformemente. Para un sistema en el que la gravedad es importante, como el universo, este es un estado de baja entropía (en comparación con un estado de alta entropía en el que toda la materia colapsa en agujeros negros , un estado al que el sistema eventualmente puede evolucionar). A medida que el Universo crece, su temperatura desciende, lo que deja menos energía [por unidad de volumen de espacio] disponible para realizar trabajo en el futuro de la que estaba disponible en el pasado. Además, aumentan las perturbaciones en la densidad de energía (eventualmente formando galaxias y estrellas ). Por lo tanto, el propio Universo tiene una flecha termodinámica del tiempo bien definida. Pero esto no aborda la cuestión de por qué el estado inicial del universo era de baja entropía. Si la expansión cósmica se detuviera y se invirtiera debido a la gravedad, la temperatura del Universo volvería a calentarse más, pero su entropía también continuaría aumentando debido al continuo crecimiento de las perturbaciones y la eventual formación de un agujero negro , [3] hasta que últimas etapas del Big Crunch cuando la entropía sería más baja que ahora. [ cita requerida ]
Un ejemplo de aparente irreversibilidad
Considere la situación en la que un recipiente grande se llena con dos líquidos separados, por ejemplo, un tinte en un lado y agua en el otro. Sin barrera entre los dos líquidos, el empuje aleatorio de sus moléculas hará que se mezclen más a medida que pasa el tiempo. Sin embargo, si el tinte y el agua se mezclan, no se espera que se separen nuevamente cuando se dejen solos. Una película de la mezcla parecería realista cuando se reproduce hacia adelante, pero poco realista cuando se reproduce al revés.
Si se observa el recipiente grande al principio del proceso de mezcla, es posible que se encuentre solo parcialmente mezclado. Sería razonable concluir que, sin intervención externa, el líquido llegó a este estado porque estaba más ordenado en el pasado, cuando hubo mayor separación, y estará más desordenado, o mezclado, en el futuro.
Ahora imagina que el experimento se repite, esta vez con solo unas pocas moléculas, quizás diez, en un recipiente muy pequeño. Uno puede imaginar fácilmente que al observar el empuje aleatorio de las moléculas podría ocurrir, solo por casualidad, que las moléculas se segreguen cuidadosamente, con todas las moléculas de colorante en un lado y todas las moléculas de agua en el otro. Que se puede esperar que esto ocurra de vez en cuando puede deducirse del teorema de fluctuación ; por tanto, no es imposible que las moléculas se segreguen. Sin embargo, para una gran cantidad de moléculas es tan poco probable que uno tenga que esperar, en promedio, muchas veces más que la edad del universo para que ocurra. Por lo tanto, una película que mostrara una gran cantidad de moléculas que se segregaban como se describe anteriormente parecería poco realista y uno se inclinaría a decir que la película se estaba reproduciendo al revés. Vea la Segunda Ley de Boltzmann como una ley del desorden .
Matemáticas de la flecha
Las matemáticas detrás de la flecha del tiempo , la entropía y la base de la segunda ley de la termodinámica se derivan de la siguiente configuración, como detallan Carnot (1824), Clapeyron (1832) y Clausius (1854):
Aquí, como lo demuestra la experiencia común, cuando un cuerpo caliente T 1 , como un horno, se pone en contacto físico, como si se conecta a través de un cuerpo de fluido ( cuerpo de trabajo ), con un cuerpo frío T 2 , como una corriente. de agua fría, la energía fluirá invariablemente de caliente a fría en forma de calor Q , y con el tiempo el sistema alcanzará el equilibrio . La entropía, definida como Q / T, fue concebida por Rudolf Clausius como una función para medir la irreversibilidad molecular de este proceso, es decir, el trabajo disipativo que los átomos y las moléculas realizan entre sí durante la transformación.
En este diagrama, se puede calcular el cambio de entropía Δ S para el paso de la cantidad de calor Q desde la temperatura T 1 , a través del "cuerpo de trabajo" de fluido (ver motor térmico ), que típicamente era un cuerpo de vapor, para la temperatura T 2 . Además, se podría suponer, en aras de la argumentación, que el cuerpo de trabajo contiene solo dos moléculas de agua.
A continuación, si hacemos la asignación, como lo hizo originalmente Clausius:
Entonces el cambio de entropía o "valor de equivalencia" para esta transformación es:
que es igual a:
y al factorizar Q, tenemos la siguiente forma, como la derivó Clausius:
Así, por ejemplo, si Q era 50 unidades, T 1 era inicialmente 100 grados y T 2 era inicialmente 1 grado, entonces el cambio de entropía para este proceso sería 49,5. Por lo tanto, la entropía aumentó para este proceso, el proceso tomó una cierta cantidad de "tiempo" y se puede correlacionar el aumento de entropía con el paso del tiempo. Para esta configuración del sistema, posteriormente, es una "regla absoluta". Esta regla se basa en el hecho de que todos los procesos naturales son irreversibles en virtud del hecho de que las moléculas de un sistema, por ejemplo, dos moléculas en un tanque, no solo realizan un trabajo externo (como empujar un pistón), sino que también realizan un trabajo interno. trabajar unos sobre otros, en proporción al calor utilizado para hacer el trabajo (ver: Equivalente mecánico del calor ) durante el proceso. La entropía explica el hecho de que existe fricción intermolecular interna.
Correlaciones
Una diferencia importante entre el pasado y el futuro es que en cualquier sistema (como un gas de partículas) sus condiciones iniciales suelen ser tales que sus diferentes partes no están correlacionadas, pero a medida que el sistema evoluciona y sus diferentes partes interactúan entre sí, estas correlacionarse. [4] Por ejemplo, cuando se trata de un gas de partículas, siempre se asume que sus condiciones iniciales son tales que no existe correlación entre los estados de las diferentes partículas (es decir, las velocidades y ubicaciones de las diferentes partículas son completamente aleatorias, hasta a la necesidad de ajustarse al macroestado del sistema). Esto está estrechamente relacionado con la Segunda Ley de la Termodinámica: por ejemplo, en un sistema finito que interactúa con depósitos de calor finitos, la entropía es equivalente a las correlaciones sistema-depósito y, por lo tanto, ambos aumentan juntos. [5]
Tomemos por ejemplo (experimento A) una caja cerrada que, al principio, está medio llena con gas ideal. A medida que pasa el tiempo, el gas se expande obviamente para llenar toda la caja, de modo que el estado final es una caja llena de gas. Este es un proceso irreversible, ya que si la caja está llena al principio (experimento B), no se llena solo a la mitad más tarde, excepto en la situación muy poco probable en la que las partículas de gas tienen ubicaciones y velocidades muy especiales. Pero esto se debe precisamente a que siempre asumimos que las condiciones iniciales son tales que las partículas tienen ubicaciones y velocidades aleatorias. Esto no es correcto para las condiciones finales del sistema, porque las partículas han interactuado entre sí, de modo que sus ubicaciones y velocidades se han vuelto dependientes entre sí, es decir, correlacionadas. Esto se puede entender si miramos el experimento A hacia atrás en el tiempo, al que llamaremos experimento C: ahora comenzamos con una caja llena de gas, pero las partículas no tienen ubicaciones y velocidades aleatorias; más bien, sus ubicaciones y velocidades son tan particulares, que después de un tiempo todos se mueven a la mitad de la caja, que es el estado final del sistema (este es el estado inicial del experimento A, porque ahora estamos viendo el mismo experimento al revés!). Las interacciones entre partículas ahora no crean correlaciones entre las partículas, sino que de hecho las convierten en (al menos aparentemente) aleatorias, "cancelando" las correlaciones preexistentes. [ cita requerida ] La única diferencia entre el experimento C (que desafía la Segunda Ley de la Termodinámica) y el experimento B (que obedece a la Segunda Ley de la Termodinámica) es que en el primero las partículas no están correlacionadas al final, mientras que en el segundo las partículas no están correlacionados al principio. [ cita requerida ]
De hecho, si todos los procesos físicos microscópicos son reversibles (véase la discusión a continuación), entonces la Segunda Ley de la Termodinámica se puede probar para cualquier sistema aislado de partículas con condiciones iniciales en las que los estados de las partículas no están correlacionados. Para hacer esto, uno debe reconocer la diferencia entre la entropía medida de un sistema, que depende solo de su macroestado (su volumen, temperatura, etc.) y su entropía de información , [6] que es la cantidad de información (número de computadora bits) necesarios para describir el microestado exacto del sistema. La entropía medida es independiente de las correlaciones entre las partículas del sistema, porque no afectan su macroestado, pero la entropía de la información sí depende de ellas, porque las correlaciones reducen la aleatoriedad del sistema y, por lo tanto, la cantidad de información necesaria para describirlo. [7] Por lo tanto, en ausencia de tales correlaciones, las dos entropías son idénticas, pero por lo demás, la entropía de la información es menor que la entropía medida, y la diferencia puede usarse como una medida de la cantidad de correlaciones.
Ahora bien, según el teorema de Liouville , la inversión temporal de todos los procesos microscópicos implica que la cantidad de información necesaria para describir el microestado exacto de un sistema aislado (su entropía conjunta de la teoría de la información ) es constante en el tiempo. Esta entropía conjunta es igual a la entropía marginal (entropía asumiendo que no hay correlaciones) más la entropía de correlación (entropía mutua o su información mutua negativa ). Si asumimos inicialmente que no hay correlaciones entre las partículas, entonces esta entropía conjunta es solo la entropía marginal, que es solo la entropía termodinámica inicial del sistema, dividida por la constante de Boltzmann . [ cita requerida ] Sin embargo, si estas son de hecho las condiciones iniciales (y esta es una suposición crucial), entonces tales correlaciones se forman con el tiempo. En otras palabras, hay una entropía mutua decreciente (o información mutua creciente), y durante un tiempo que no es demasiado largo, las correlaciones (información mutua) entre partículas solo aumentan con el tiempo. Por lo tanto, la entropía termodinámica, que es proporcional a la entropía marginal, también debe aumentar con el tiempo [8] (tenga en cuenta que "no demasiado" en este contexto es relativo al tiempo necesario, en una versión clásica del sistema, porque pasar por todos sus microestados posibles, un tiempo que se puede estimar aproximadamente como, dónde es el tiempo entre las colisiones de partículas y S es la entropía del sistema. En cualquier caso práctico, este tiempo es enorme en comparación con todo lo demás). Tenga en cuenta que la correlación entre partículas no es una cantidad completamente objetiva. No se puede medir la entropía mutua, solo se puede medir su cambio, asumiendo que se puede medir un microestado. [ cita requerida ] La termodinámica se restringe al caso donde los microestados no se pueden distinguir, lo que significa que solo se puede medir la entropía marginal, proporcional a la entropía termodinámica, y, en un sentido práctico, siempre aumenta.
Sin embargo, siempre se debe tener en cuenta estadísticamente: la correlación no implica causalidad.
La flecha del tiempo en varios fenómenos.
Los fenómenos que ocurren de manera diferente según la dirección del tiempo pueden, en última instancia, vincularse a la Segunda Ley de la Termodinámica [ cita requerida ] , por ejemplo, los cubitos de hielo se derriten en el café caliente en lugar de formarse a partir del café y un bloque que se desliza sobre una superficie rugosa se ralentiza en lugar de acelerar. La idea de que podemos recordar el pasado y no el futuro se llama "flecha psicológica del tiempo" y tiene conexiones profundas con el demonio de Maxwell y la física de la información; la memoria está vinculada a la Segunda Ley de la Termodinámica si se la ve como una correlación entre las células cerebrales (o bits de la computadora) y el mundo exterior: dado que tales correlaciones aumentan con el tiempo, la memoria está vinculada a eventos pasados, en lugar de a eventos futuros [ cita requerida ] .
La investigación actual
La investigación actual se centra principalmente en describir matemáticamente la flecha termodinámica del tiempo, ya sea en sistemas clásicos o cuánticos, y en comprender su origen desde el punto de vista de las condiciones cosmológicas de frontera .
Sistemas dinámicos
Algunas investigaciones actuales en sistemas dinámicos indican una posible "explicación" para la flecha del tiempo. [ cita requerida ] Hay varias formas de describir la evolución temporal de un sistema dinámico. En el marco clásico, se considera una ecuación diferencial , donde uno de los parámetros es explícitamente el tiempo. Por la propia naturaleza de las ecuaciones diferenciales, las soluciones de tales sistemas son inherentemente reversibles en el tiempo. Sin embargo, muchos de los casos interesantes son ergódicos o mixtos , y se sospecha fuertemente que la mezcla y la ergodicidad subyacen de alguna manera al mecanismo fundamental de la flecha del tiempo.
Los sistemas mixtos y ergódicos no tienen soluciones exactas, por lo que demostrar la irreversibilidad del tiempo en un sentido matemático es (a partir de 2006[actualizar]) imposible. Se puede lograr algún progreso mediante el estudio de modelos de tiempo discreto o ecuaciones en diferencias . Muchos modelos de tiempo discreto, como las funciones iteradas consideradas en los programas populares de dibujo fractal, no son explícitamente reversibles en el tiempo, ya que cualquier punto dado "en el presente" puede tener varios "pasados" diferentes asociados: de hecho, el conjunto de todos los pasados se conoce como el conjunto de Julia . Dado que tales sistemas tienen una irreversibilidad incorporada, no es apropiado usarlos para explicar por qué el tiempo no es reversible.
Hay otros sistemas que son caóticos y también explícitamente reversibles en el tiempo: entre ellos se encuentra el mapa del panadero , que también se puede resolver con exactitud. Una vía de estudio interesante es examinar las soluciones para tales sistemas no iterando el sistema dinámico a lo largo del tiempo, sino estudiar el operador de Frobenius-Perron correspondiente o el operador de transferencia del sistema. Para algunos de estos sistemas, se puede demostrar explícita y matemáticamente que los operadores de transferencia no son de clase de rastreo . Esto significa que estos operadores no tienen un espectro de valor propio único que sea independiente de la elección de la base. En el caso del mapa del panadero, se puede demostrar que existen varias diagonalizaciones o bases únicas y no equivalentes, cada una con un conjunto diferente de valores propios. Es este fenómeno el que se puede ofrecer como "explicación" de la flecha del tiempo. Es decir, aunque el sistema iterado de tiempo discreto es explícitamente simétrico en el tiempo, el operador de transferencia no lo es. Además, el operador de transferencia se puede diagonalizar en una de dos formas desiguales: una que describe la evolución del sistema en el tiempo hacia adelante y otra que describe la evolución en el tiempo hacia atrás.
A partir de 2006, este tipo de ruptura de simetría de tiempo se ha demostrado solo para un número muy pequeño de sistemas de tiempo discreto que se pueden resolver con exactitud. El operador de transferencia para sistemas más complejos no se ha formulado de manera coherente y su definición precisa se ve envuelta en una variedad de sutiles dificultades. En particular, no se ha demostrado que tenga una simetría rota para los sistemas ergódicos en tiempo continuo más simples y con solución exacta, como el billar de Hadamard o el flujo de Anosov en el espacio tangente de PSL (2, R) .
Mecánica cuántica
La investigación sobre la irreversibilidad en la mecánica cuántica toma varias direcciones diferentes. Una vía es el estudio de los espacios de Hilbert manipulados y, en particular, cómo se entremezclan los espectros de valores propios discretos y continuos [ cita requerida ] . Por ejemplo, los números racionales están completamente entremezclados con los números reales y, sin embargo, tienen un conjunto de propiedades único y distinto. Se espera que el estudio de los espacios de Hilbert con una mezcla similar proporcione una idea de la flecha del tiempo.
Otro enfoque distinto es a través del estudio del caos cuántico mediante el cual se intenta cuantificar los sistemas como clásicamente caóticos, ergódicos o mixtos. [ cita requerida ] Los resultados obtenidos no son diferentes a los que provienen del método del operador de transferencia. Por ejemplo, la cuantificación del gas de Boltzmann , es decir, un gas de partículas puntuales duras (elásticas) en una caja rectangular, revela que las funciones propias son fractales que llenan el espacio y que ocupan toda la caja, y que los valores propios de energía están espaciados muy cerca. y tener un espectro "casi continuo" (para un número finito de partículas en una caja, el espectro debe ser, necesariamente, discreto). Si las condiciones iniciales son tales que todas las partículas están confinadas a un lado de la caja, el sistema evoluciona muy rápidamente a uno donde las partículas llenan toda la caja. Incluso cuando todas las partículas están inicialmente en un lado de la caja, sus funciones de onda, de hecho, impregnan toda la caja: interfieren constructivamente en un lado e interfieren destructivamente en el otro. Luego se argumenta la irreversibilidad señalando que es "casi imposible" que las funciones de onda estén dispuestas "accidentalmente" en algún estado improbable: tales arreglos son un conjunto de medida cero . Debido a que las funciones propias son fractales, gran parte del lenguaje y la maquinaria de la entropía y la mecánica estadística se pueden importar para discutir y argumentar el caso cuántico. [ cita requerida ]
Cosmología
Algunos procesos que involucran partículas de alta energía y están gobernados por la fuerza débil (como la desintegración del mesón K ) desafían la simetría entre las direcciones del tiempo. Sin embargo, todos los procesos físicos conocidos hacen mantener una simetría más complicado ( simetría CPT ), y por lo tanto no están relacionados con la segunda ley de la termodinámica , o para la experiencia del día a día de la flecha del tiempo. Una excepción notable es el colapso de la función de onda en la mecánica cuántica , un proceso irreversible que se considera real (según la interpretación de Copenhague ) o solo aparente (según la interpretación de muchos mundos de la mecánica cuántica). En cualquier caso, el colapso de la función de onda siempre sigue a la decoherencia cuántica , un proceso que se entiende que es el resultado de la Segunda Ley de la Termodinámica.
El universo estaba en un estado uniforme de alta densidad en sus primeras etapas, poco después del Big Bang . El gas caliente en el universo temprano estaba cerca del equilibrio termodinámico (vea el problema del horizonte ); en sistemas donde la gravitación juega un papel importante, este es un estado de baja entropía, debido a la capacidad térmica negativa de tales sistemas (esto es contrario a los sistemas no gravitacionales donde el equilibrio termodinámico es un estado de máxima entropía). Además, debido a su pequeño volumen en comparación con épocas futuras, la entropía fue incluso menor a medida que la expansión del gas aumenta su entropía. Por tanto, se puede considerar que el universo primitivo está muy ordenado. Tenga en cuenta que la uniformidad de este primer estado cercano al equilibrio ha sido explicada por la teoría de la inflación cósmica .
Según esta teoría, el universo (o, mejor dicho, su parte accesible, un radio de 46 mil millones de años luz alrededor de la Tierra) evolucionó a partir de un volumen diminuto y totalmente uniforme (una porción de un universo mucho más grande), que se expandió enormemente; de ahí que estuviera muy ordenado. Luego, las fluctuaciones fueron creadas por procesos cuánticos relacionados con su expansión, de una manera que se suponía que era tal que estas fluctuaciones pasaban por la decoherencia cuántica , de modo que no estaban correlacionadas para ningún uso práctico. Se supone que esto da las condiciones iniciales deseadas necesarias para la Segunda Ley de la Termodinámica; diferentes estados decoherentes finalmente evolucionaron a diferentes arreglos específicos de galaxias y estrellas.
El universo es aparentemente un universo abierto , por lo que su expansión nunca terminará, pero es un experimento mental interesante imaginar lo que hubiera sucedido si el universo hubiera estado cerrado . En tal caso, su expansión se detendría en un momento determinado en un futuro lejano y luego comenzaría a encogerse. Además, un universo cerrado es finito. No está claro qué pasaría con la Segunda Ley de la Termodinámica en tal caso. Se podrían imaginar al menos dos escenarios diferentes, aunque en realidad solo el primero es plausible, ya que el otro requiere una evolución cósmica muy suave, al contrario de lo que se observa:
- El amplio consenso entre la comunidad científica actual es que las condiciones iniciales suaves conducen a un estado final altamente irregular, y que esta es de hecho la fuente de la flecha termodinámica del tiempo. [9] Los sistemas gravitacionales tienden a colapsar gravitacionalmente a cuerpos compactos como los agujeros negros (un fenómeno no relacionado con el colapso de la función de onda), de modo que cuando el universo termina en un Big Crunch que es muy diferente a un Big Bang corre al revés, ya que la distribución del asunto sería sumamente irregular; a medida que el universo se encoge, estos cuerpos compactos se fusionan en agujeros negros cada vez más grandes. Incluso puede ser que sea imposible que el universo tenga un comienzo y un final suaves a la vez. Tenga en cuenta que en este escenario la densidad de energía del universo en las etapas finales de su contracción es mucho mayor que en las correspondientes etapas iniciales de su expansión (no hay interferencia destructiva , a diferencia del primer escenario descrito anteriormente), y consiste principalmente en agujeros negros en lugar de partículas libres.
- Un punto de vista muy controvertido es que, en cambio, la flecha del tiempo se invertirá. [10] Las fluctuaciones cuánticas, que mientras tanto se han convertido en galaxias y estrellas, estarán en superposición de tal manera que todo el proceso descrito anteriormente se invierte, es decir, las fluctuaciones se borran por interferencia destructiva y la uniformidad total se logra una vez. de nuevo. Así, el universo termina en un Big Crunch , que es similar a su comienzo en el Big Bang . Debido a que los dos son totalmente simétricos y el estado final está muy ordenado, la entropía debe disminuir cerca del final del universo, de modo que la Segunda Ley de la Termodinámica se invierte cuando el universo se contrae. Esto se puede entender de la siguiente manera: en el universo muy temprano, las interacciones entre fluctuaciones creaban entrelazamientos ( correlaciones cuánticas ) entre partículas esparcidas por todo el universo; durante la expansión, estas partículas se volvieron tan distantes que estas correlaciones se volvieron insignificantes (ver decoherencia cuántica ). En el momento en que la expansión se detiene y el universo comienza a encogerse, tales partículas correlacionadas llegan una vez más al contacto (después de dar vueltas alrededor del universo) y la entropía comienza a disminuir, porque las condiciones iniciales altamente correlacionadas pueden conducir a una disminución de la entropía. Otra forma de decirlo es que a medida que llegan partículas distantes, se revela más y más orden porque estas partículas están altamente correlacionadas con partículas que llegaron antes. En este escenario, la flecha cosmológica del tiempo es la razón tanto de la flecha termodinámica del tiempo como de la flecha cuántica del tiempo. Ambos desaparecerán lentamente a medida que el universo se detenga, y luego se invertirá.
En el primer escenario y más consensuado, es la diferencia entre el estado inicial y el estado final del universo la responsable de la flecha termodinámica del tiempo. Esto es independiente de la flecha cosmológica del tiempo.
Ver también
- Flecha del tiempo
- Inflación cósmica
- Entropía
- Historia de la entropía
- Teorema de h
- La paradoja de Loschmidt
Referencias
- ^ Peskin, Michael E .; Schroeder, Daniel V. (2018). Introducción a la teoría cuántica de campos . Prensa CRC. ISBN 978-0-429-49417-8. OCLC 1029246931 .
- ^ Precio, Huw (2004). "La flecha termodinámica: puzzles y pseudo-puzzles". arXiv : física / 0402040 .
- ^ Penrose, R. El camino a la realidad págs. 686-734
- ^ Orígenes físicos de la asimetría del tiempo , p. 109.
- ^ Esposito, M., Lindenberg, K. y Van den Broeck, C. (2010). Producción de entropía como correlación entre sistema y yacimiento. Nueva Revista de Física, 12 (1), 013013.
- ^ Orígenes físicos de la asimetría del tiempo , p. 35.
- ^ Orígenes físicos de la asimetría del tiempo , págs. 35-38.
- ^ "Algunos conceptos erróneos sobre la entropía" . Archivado desde el original el 4 de febrero de 2012 . Consultado el 13 de febrero de 2011 .
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Otras lecturas
- Kardar, Mehran (2007). Física estadística de partículas . Prensa de la Universidad de Cambridge . ISBN 978-0-521-87342-0. OCLC 860391091 .
- Halliwell, JJ; et al. (1994). Orígenes físicos de la asimetría temporal . Cambridge. ISBN 0-521-56837-4. (técnico).
- Mackey, Michael C. (1992). Flecha del tiempo: los orígenes del comportamiento termodinámico . Berlín Heidelberg Nueva York: Springer. ISBN 3-540-94093-6. OCLC 28585247 .
... se demuestra que para que haya una evolución global de la entropía a su valor máximo ... es necesario y suficiente que el sistema tenga una propiedad conocida como exactitud. ... estos criterios sugieren que todas las leyes físicas formuladas actualmente pueden no estar en la base del comportamiento termodinámico que observamos todos los días de nuestras vidas. (página xi)
Dover ha reimpreso la monografía en 2003 ( ISBN 0486432432 ). Para un breve artículo que enumera "los puntos esenciales de ese argumento, corrigiendo los puntos de presentación que eran confusos ... y enfatizando las conclusiones con más fuerza que antes", consulte Mackey, Michael C. (2001). "Dinámica microscópica y la segunda ley de la termodinámica" (PDF) . En Mugnai, C .; Ranfagni, A .; Schulman, LS (eds.). Flecha del tiempo, medición cuántica y comportamiento superluminal . Roma: Consiglio Nazionale Delle Ricerche. págs. 49–65. ISBN 88-8080-024-8. Archivado desde el original (PDF) el 25 de julio de 2011. - Sean M. Carroll , From Eternity to Here: The Quest for the Ultimate Theory of Time
enlaces externos
- Asimetría termodinámica en el tiempo en la Enciclopedia de Filosofía de Stanford en línea