La muerte térmica del universo (también conocida como Big Chill o Big Freeze ) [1] es una teoría 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 para 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 alcanzaequilibrio termodinámico (máxima entropía).
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, [2] con el Universo enfriándose 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 grandes 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, según 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. [3]
La idea de la muerte por calor como consecuencia de las leyes de la termodinámica, sin embargo, fue propuesta por primera vez en términos generales a partir de 1851 por Lord Kelvin (William Thomson), quien teorizó más sobre las opiniones 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 . [ cita requerida ]
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 ". [4]
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. [5] 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. [6] 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 llevó a a la difusión del calor, el cese del movimiento útil ( trabajo ) y el agotamiento de la energía potencial a través del universo material, mientras aclara su visión de las consecuencias para el universo en su conjunto. 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. [7]
En los años posteriores a los artículos de Thomson de 1852 y 1862, Helmholtz y Rankine le dieron crédito a Thomson con la idea, pero leyeron más en sus artículos publicando puntos de vista que afirmaban que Thomson argumentó que el universo terminará en una " muerte por calor " (Helmholtz). que será el " fin de todos los fenómenos físicos " (Rankine). [6] [8] [ fuente no confiable? ]
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 . [2] Si la constante cosmológica es cero, el universo se acercará a la temperatura del cero absoluto en una escala de tiempo muy larga. Sin embargo, si la constante cosmológica es positiva , como parece ser el caso en observaciones recientes [9] ( 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 que no es posible seguir trabajando . [10]
Si un Big Rip no ocurre mucho antes y los protones , electrones y neutrones unidos al núcleo del átomo son estables y nunca se desintegran , la situación de "muerte por calor" total podría evitarse si existe un método o mecanismo para regenerar los átomos de hidrógeno a partir de la radiación. , materia oscura , energía oscura , energía de punto cero , esfalerones , partículas virtuales u otras fuentes, como recuperar materia y energía de los agujeros negros o hacer que los agujeros negros exploten para que se libere la masa contenida en ellos, lo que puede conducir a la formación de nuevas estrellas y planetas. Si es así, al menos es posible que la formación de estrellas y la transferencia de calor puedan continuar, evitando un agotamiento gradual del universo debido a la conversión de materia en energía y elementos más pesados en los procesos estelares , y la absorción de materia por los agujeros negros y sus componentes. evaporación posterior como radiación de Hawking . [11] [12]
Un nuevo estudio publicado en noviembre de 2020 encontró que el universo en realidad se está calentando más. El estudio sondeó la historia térmica del universo durante los últimos 10 mil millones de años. Ha descubierto que "la temperatura media del gas en todo el universo ha aumentado más de 10 veces durante ese período de tiempo y ha alcanzado aproximadamente 2 millones de grados Kelvin en la actualidad, aproximadamente 4 millones de grados Fahrenheit ". Yi-Kuan Chiang, autor principal del estudio e investigador del Centro de Cosmología y Física de Astropartículas de la Universidad Estatal de Ohio , afirmó que "nuestra nueva medición proporciona una confirmación directa del trabajo fundamental de Jim Peebles , el Premio Nobel de Física de 2019 —Quien expuso la teoría de cómo se forma la estructura a gran escala en el universo ". [13] [14]
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. [15] : §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, [16] por lo que la entropía se puede producir hasta al menos ese hora. 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. [17] 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 . [15] : §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 . [15] : §VE También es posible que la producción de entropía cese y el universo alcance la muerte por calor. [15] : §VID Otro universo podría posiblemente ser creado por fluctuaciones cuánticas aleatorias o tunelización cuántica en aproximadamenteaños. [18] Durante vastos períodos de tiempo, una disminución de entropía espontánea eventualmente ocurriría a través del teorema de recurrencia de Poincaré , [19] fluctuaciones térmicas , [20] [21] [22] y el teorema de fluctuación . [23] [24] Tal escenario, sin embargo, ha sido descrito como "altamente especulativo, probablemente erróneo [y] completamente incontrolable". [25] Sean M. Carroll , originalmente un defensor de esta idea, ya no la apoya. [26] [27]
Puntos de vista opuestos
Max Planck escribió que la frase "entropía del universo" no tiene significado porque no admite una definición precisa. [28] [29] Más recientemente, Walter Grandy escribe: "Es bastante presuntuoso hablar de la entropía de un universo sobre el que todavía entendemos tan poco, y nos preguntamos cómo se podría definir la entropía termodinámica para un universo y sus componentes principales que nunca han estado en equilibrio en toda su existencia ". [30] Según Tisza : "Si un sistema aislado no está en equilibrio, no podemos asociarle una entropía". [31] Buchdahl escribe sobre "la suposición totalmente injustificable de que el universo puede ser tratado como un sistema termodinámico cerrado". [32] Según Gallavotti : "... no existe una noción de entropía universalmente aceptada para sistemas fuera de equilibrio, incluso cuando están en un estado estacionario". [33] 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 del hecho de que la mayoría de los físicos creen en tal entropía de no equilibrio, hasta ahora ha resultado imposible definirla en un de manera claramente satisfactoria ". [34] En opinión de Landsberg: "El tercer concepto erróneo es que la termodinámica, y en particular, el concepto de entropía, puede aplicarse sin más preguntas a todo el universo ... Estas preguntas tienen una cierta fascinación, pero las respuestas son especulaciones , y están más allá del alcance de este libro ". [35]
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. [36] 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. .. Tal 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 ". [37] Este punto de vista también está respaldado por el hecho de un descubrimiento experimental reciente de un estado estable de no equilibrio estable 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 . [38] [39]
Ver también
- Flecha del tiempo
- Big Bang
- Gran rebote
- Gran crujido
- Gran rasgón
- Cronología del universo
- Modelo cíclico
- Entropía (flecha del tiempo)
- Teorema de fluctuación
- Cronología gráfica desde Big Bang hasta Heat Death
- Paradoja de la muerte por calor
- La última pregunta
- Cronología del futuro lejano
- Órdenes de magnitud (tiempo)
- Temperatura termodinámica
Referencias
- ^ WMAP - Destino del Universo , Universo de WMAP , NASA . Consultado en línea el 17 de julio de 2008.
- ↑ a b Plait, Philip (2008). ¡Muerte de los cielos! . Viking Adult (publicado el 16 de octubre de 2008). pag. 259. ISBN 978-0-670-01997-7.
- ^ Brush, Stephen G. (1996). Una historia de la física planetaria moderna: Tierra nebulosa . 1 . Prensa de la Universidad de Cambridge. pag. 77 . ISBN 978-0-521-44171-1.
- ^ Thomson, sir William. (1851). "Sobre la teoría dinámica del calor, con resultados numéricos deducidos del equivalente del Sr. Joule de una unidad térmica, y las observaciones de M. Regnault sobre el vapor" Extractos. [§§1–14 y §§99–100], Transactions of the Royal Society of Edinburgh , marzo de 1851, y Philosophical Magazine IV , 1852. [de Mathematical and Physical Papers , vol. yo, art. XLVIII, págs. 174]
- ^ Thomson, Sir William (1852). "Sobre una tendencia universal en la naturaleza a la disipación de la energía mecánica" Actas de la Royal Society de Edimburgo para el 19 de abril de 1852, también Philosophical Magazine , octubre de 1852. [Esta versión de Mathematical and Physical Papers , vol. yo, art. 59, págs. 511.]
- ^ a b Smith, Crosbie; Wise, M. Norton (1989). Energía e imperio: un estudio biográfico de Lord Kelvin . Prensa de la Universidad de Cambridge. pag. 500. ISBN 978-0-521-26173-9.
- ^ Thomson, Sir William (5 de marzo de 1862). "Sobre la edad del calor del sol" . Revista de Macmillan . Vol. 5. págs. 388–93.
- ^ "Cronología de la física" . Archivado desde el original el 22 de mayo de 2011.
- ^ Reiss; et al. (1998). "Evidencia observacional de supernovas para un universo en aceleración y una constante cosmológica". Revista astronómica . 116 (3): 1009–1038. arXiv : astro-ph / 9805201 . Código Bibliográfico : 1998AJ .... 116.1009R . doi : 10.1086 / 300499 .
- ^ Dyson, Lisa ; Kleban, Matthew ; Susskind, Leonard (12 de noviembre de 2002). "Implicaciones perturbadoras de una constante cosmológica". Revista de Física de Altas Energías . 2002 (10): 011. arXiv : hep-th / 0208013 . Código bibliográfico : 2002JHEP ... 10..011D . doi : 10.1088 / 1126-6708 / 2002/10/011 . S2CID 2344440 .
- ^ MacMillan, William Duncan (julio de 1918). "Sobre la evolución estelar". El diario astrofísico . 48 : 35–49. Código Bibliográfico : 1918ApJ .... 48 ... 35M . doi : 10.1086 / 142412 .
- ^ Macmillan, William D. (31 de julio de 1925). "Algunos aspectos matemáticos de la cosmología". Ciencia . 62 (1596): 96–9. Código Bibliográfico : 1925Sci .... 62..121M . doi : 10.1126 / science.62.1596.96 . PMID 17752724 .
- ^ Chiang, Yi-Kuan; Makiya, Ryu; Ménard, Brice; Komatsu, Eiichiro (2020). "La historia térmica cósmica probada por tomografía de efecto Sunyaev-Zeldovich". El diario astrofísico . 902 (1): 56. arXiv : 2006.14650 . Código Bibliográfico : 2020ApJ ... 902 ... 56C . doi : 10.3847 / 1538-4357 / abb403 .
- ^ Arenschield, Laura (12 de noviembre de 2020). "El universo se está calentando, calentando, calentando, según sugiere un nuevo estudio" (Comunicado de prensa). Noticias del estado de Ohio . Consultado el 21 de diciembre de 2020 .
- ^ a b c d Adams, Fred C .; Laughlin, Gregory (1997). "Un universo moribundo: el destino a largo plazo y la evolución de los objetos astrofísicos". Reseñas de Física Moderna . 69 (2): 337–72. arXiv : astro-ph / 9701131 . Código Bibliográfico : 1997RvMP ... 69..337A . doi : 10.1103 / RevModPhys.69.337 . S2CID 12173790 .
- ^ Ver en particular la ecuación (27) en Page, Don N. (15 de enero de 1976). "Tasas de emisión de partículas de un agujero negro: partículas sin masa de un agujero sin carga, no giratorio". Physical Review D . 13 (2): 198-206. Código Bibliográfico : 1976PhRvD..13..198P . doi : 10.1103 / PhysRevD.13.198 .
- ^ Frautschi, Steven (13 de agosto de 1982). "Entropía en un universo en expansión" (PDF) . Ciencia . 217 (4560): 593–9. Código Bibliográfico : 1982Sci ... 217..593F . doi : 10.1126 / science.217.4560.593 . JSTOR 1688892 . PMID 17817517 . S2CID 27717447 .
Dado que asumimos una escala máxima de unión gravitacional, por ejemplo, supercúmulos de galaxias, la formación de agujeros negros finalmente llega a su fin en nuestro modelo, con masas de hasta 10 14 M ☉ ... la escala de tiempo para que los agujeros negros se irradien todos sus rangos de energía ... a 10 106 años para agujeros negros de hasta 10 14 M ☉
- ^ Carroll, Sean M .; Chen, Jennifer (octubre de 2004). "Inflación espontánea y origen de la flecha del tiempo". arXiv : hep-th / 0410270 .Código Bibliográfico : 2004hep.th ... 10270C
- ^ Poincaré, Henri (1890). "Sur le problème des trois corps et les équations de la dynamique". Acta Mathematica . 13 : A3 – A270.
- ^ Tegmark, Max (2003). "Universos paralelos". Scientific American . 288 (2003): 40–51. arXiv : astro-ph / 0302131 . Código Bibliográfico : 2003SciAm.288e..40T . doi : 10.1038 / scientificamerican0503-40 . PMID 12701329 .
- ^ Tegmark, Max (mayo de 2003). "Universos paralelos". Scientific American . 288 (5): 40–51. arXiv : astro-ph / 0302131 . Código Bibliográfico : 2003SciAm.288e..40T . doi : 10.1038 / scientificamerican0503-40 . PMID 12701329 .
- ^ Werlang, T .; Ribeiro, GAP; Rigolin, Gustavo (2013). "Interacción entre las transiciones de fase cuántica y el comportamiento de las correlaciones cuánticas en temperaturas finitas.org". International Journal of Modern Physics B . 27 (1n03): 1345032. arXiv : 1205.1046 . Código bibliográfico : 2013IJMPB..2745032W . doi : 10.1142 / S021797921345032X . S2CID 119264198 .
- ^ Xiu-San Xing (1 de noviembre de 2007). "Disminución espontánea de la entropía y su fórmula estadística". arXiv : 0710.4624 [ cond-mat.stat-mech ].
- ^ Linde, Andrei (2007). "Se hunde en el paisaje, los cerebros de Boltzmann y el problema cosmológico constante". Revista de cosmología y física de astropartículas . 2007 (1): 022. arXiv : hep-th / 0611043 . Código bibliográfico : 2007JCAP ... 01..022L . CiteSeerX 10.1.1.266.8334 . doi : 10.1088 / 1475-7516 / 2007/01/022 . S2CID 16984680 .
- ^ Pimbblet, Kevin (3 de septiembre de 2015). "El destino del universo: muerte por calor, Big Rip o conciencia cósmica?" . La conversación .
- ^ Carroll, Sean (27 de enero de 2014). Sean Carroll, "Fluctuations in de Sitter Space" conferencia FQXi 2014 en Vieques . FQXi.
- ^ Boddy, Kimberly K .; Carroll, Sean M .; Pollack, Jason (2014). "Espacio de Sitter sin fluctuaciones cuánticas dinámicas". arXiv : 1405,0298 [ hep-ésimo ].
- ^ Uffink, Jos (2003). "Irreversibilidad y Segunda Ley de la Termodinámica". En Greven, Andreas; Warnecke, Gerald; Keller, Gerhard (eds.). Entropía (Princeton Series in Applied Mathematics) . Prensa de la Universidad de Princeton. pag. 129. ISBN 978-0-691-11338-8.
La importancia de la Vorlesungen über Thermodynamik de Planck (Planck 1897) difícilmente puede [sobre] estimarse. El libro ha pasado por 11 ediciones, desde 1897 hasta 1964, y sigue siendo la exposición más autorizada de la termodinámica clásica.
- ^ Planck, Max (1903). Tratado de termodinámica . Traducido por Ogg, Alexander. Londres: Longmans, Green. pag. 101.
- ^ Grandy, Walter T., Jr. (2008). La entropía y la evolución temporal de los sistemas macroscópicos . Prensa de la Universidad de Oxford. pag. 151. ISBN 978-0-19-954617-6.
- ^ Tisza, László (1966). Termodinámica generalizada . Prensa del MIT. pag. 41. ISBN 978-0-262-20010-3.
- ^ Buchdahl, HA (1966). Los conceptos de termodinámica clásica . Prensa de la Universidad de Cambridge. pag. 97. ISBN 978-0-521-11519-3.
- ^ Gallavotti, Giovanni (1999). Mecánica estadística: un breve tratado . Saltador. pag. 290. ISBN 978-3-540-64883-3.
- ^ Lieb, Elliott H .; Yngvason, Jakob (2003). "La entropía de la termodinámica clásica". En Greven, Andreas; Warnecke, Gerald; Keller, Gerhard (eds.). Entropía (Princeton Series in Applied Mathematics) . Prensa de la Universidad de Princeton. pag. 190. ISBN 978-0-691-11338-8.
- ^ Landsberg, Peter Theodore (1961). Termodinámica con ilustraciones estadísticas cuánticas (Primera ed.). Editores de Interscience. pag. 391. ISBN 978-0-470-51381-1.
- ^ Egan, Chas A .; Lineweaver, Charles H. (2010). "Una estimación más grande de la entropía del universo". The Astrophysical Journal (publicado el 3 de febrero de 2010). 710 (2): 1825–34 [1826]. arXiv : 0909.3983 . Código Bibliográfico : 2010ApJ ... 710.1825E . doi : 10.1088 / 0004-637X / 710/2/1825 . S2CID 1274173 .
- ^ Smolin, Lee (2014). "Tiempo, leyes y futuro de la cosmología". La física hoy . 67 (3): 38–43 [42]. Código bibliográfico : 2014PhT .... 67c..38S . doi : 10.1063 / pt.3.2310 .
- ^ Lemishko, Sergey S .; Lemishko, Alexander S. (2017). "Batería Redox Cu2 + / Cu + que utiliza calor externo de bajo potencial para la recarga". The Journal of Physical Chemistry C (publicado el 30 de enero de 2017). 121 (6): 3234–3240. doi : 10.1021 / acs.jpcc.6b12317 .
- ^ Lemishko, Sergey S .; Lemishko, Alexander S. (2020). "No equilibrio en estado estacionario en sistema cerrado con reacciones reversibles: mecanismo, cinética y su posible aplicación para la conversión de energía" . Resultados en Química (publicado el 8 de febrero de 2020). 2 : 100031. doi : 10.1016 / j.rechem.2020.100031 .