Muerte por calor del universo.

La muerte térmica del universo (también conocida como Gran Frío o Gran Helada) es una hipótesis sobre el destino final del universo. universo, lo que sugiere que el universo evolucionará a un estado sin energía libre termodinámica y, por lo tanto, será incapaz de sostener procesos que aumenten la entropía. La muerte por calor no implica ninguna temperatura absoluta en particular; sólo requiere que las diferencias de temperatura u otros procesos ya no puedan aprovecharse para realizar el trabajo. En el lenguaje de la física, aquí es cuando el universo alcanza el equilibrio termodinámico. La teoría de la muerte por calor se ha convertido en la principal teoría del fin del universo en la era moderna con la menor cantidad de factores impredecibles.

Si la curvatura del universo es hiperbólica o plana, o si la energía oscura es una constante cosmológica positiva, el universo continuará expandiéndose para siempre y se espera que ocurra una muerte por calor, con el universo enfriándose hasta acercarse al equilibrio a un ritmo muy baja temperatura 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 (como se expresa en las dos primeras leyes de la termodinámica) y la extrapoló a procesos más amplios en la naturaleza. una escala universal. Esto también le permitió a Kelvin formular la paradoja de la muerte por calor, que refuta un universo infinitamente viejo.

Orígenes de la idea

La idea de la muerte por calor surge 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 está distribuida uniformemente. En otras palabras, según esta hipótesis, existe una tendencia en la naturaleza hacia la disipación (transformación de energía) de la energía mecánica (movimiento) en energía térmica; por lo 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 eventualmente se vuelven demasiado fríos para albergar vida, parece haber sido propuesta por primera vez por el astrónomo francés Jean Sylvain Bailly en 1777 en sus escritos sobre la historia de la astronomía y en los siguientes. correspondencia con Voltaire. En opinión de Bailly, todos los planetas tienen calor interno y ahora se encuentran en alguna etapa particular de enfriamiento. Júpiter, por ejemplo, todavía está demasiado caliente para que surja vida allí durante miles de años, mientras que la Luna ya está demasiado fría. El estado final, desde este punto de vista, se describe como uno de "equilibrio" en el que cesa todo movimiento.

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

Historia

La idea de la muerte térmica del universo deriva de la discusión sobre la aplicación de las dos primeras leyes de la termodinámica a los procesos universales. Específicamente, en 1851, Lord Kelvin esbozó la visión, basada 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 trabajo mecánico y calor, como entre causa y efecto."

En 1852, Thomson publicó Sobre una tendencia universal en la naturaleza a la disipación de energía mecánica, en el que esbozaba los rudimentos de la segunda ley de la termodinámica resumida en la idea de que el movimiento mecánico y la energía utilizado para crear ese movimiento tenderá naturalmente a disiparse o agotarse. Las ideas de este artículo, en relación con su aplicación a la era del Sol y la dinámica del funcionamiento universal, atrajeron a personas como William Rankine y Hermann von Helmholtz. Se dice que los tres intercambiaron ideas sobre este tema. En 1862, Thomson publicó "Sobre la era del calor del Sol", un artículo en el que reiteraba sus creencias fundamentales en la indestructibilidad de la energía (la primera ley) y la disipación universal de la energía (la segunda ley), que conduce a la difusión del calor, el cese del movimiento útil (trabajo) y el agotamiento de la energía potencial, "perdida irremediablemente" a través del universo material, al tiempo que aclara su visión de las consecuencias para el universo en su conjunto. Thompson escribió:

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

El ejemplo del reloj muestra cómo Kelvin no estaba seguro de si el universo eventualmente alcanzaría el equilibrio termodinámico. Thompson especuló más tarde que restaurar la energía disipada en "vis viva" y luego trabajo utilizable y, por lo tanto, revertir la dirección del reloj, lo que resulta en un "universo rejuvenecedor" – requeriría "un acto creativo o un acto que posea un poder similar". A partir de esta publicación, Kelvin también introdujo la paradoja de la muerte por calor (la paradoja de Kelvin), que refuta el concepto clásico de un universo infinitamente viejo, ya que el universo no ha alcanzado su equilibrio termodinámico, por lo que aún es necesario seguir trabajando y producir entropía. posible. La existencia de estrellas y las diferencias de temperatura pueden considerarse una prueba empírica de que el universo no es infinitamente viejo.

En los años que siguieron a los artículos de Thomson de 1852 y 1862, Helmholtz y Rankine le dieron crédito a Thomson por la idea, junto con su paradoja, pero profundizaron en sus artículos al publicar opiniones que afirmaban que Thomson argumentaba que la 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 finales del siglo XX y principios del XXI. En una hipótesis "abierta" o "plano" universo que continúa expandiéndose indefinidamente, se espera que eventualmente ocurra una muerte por calor o un Gran Desgarro. 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, la temperatura realizará una asíntota a un valor positivo distinto de cero y el universo se acercará a un estado de máxima entropía en el que no es posible realizar más trabajos.

Plazo de tiempo para la muerte por calor

La teoría sugiere que a partir del "Big Bang" Hasta el día de hoy, 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 seguirán haciéndolo en el futuro. Por lo tanto, el universo no está en equilibrio termodinámico y los objetos pueden realizar trabajo físico.^:§VID El tiempo de desintegración de un agujero negro supermasivo de aproximadamente 1 masa de galaxia (10¹¹ masas solares) debido a la radiación de Hawking es del orden de 10100 años, por lo que la entropía se puede producir al menos hasta ese momento. Se predice que algunos grandes agujeros negros del universo seguirán creciendo hasta quizás 10¹⁴ M_☉ durante el colapso de los supercúmulos de galaxias. Incluso estos se evaporarían en un plazo de hasta 10¹⁰⁶ años. Después de ese tiempo, el universo entra en la llamada Era Oscura y se espera que esté compuesto principalmente por un gas diluido de fotones y leptones.^:§VIA Como sólo queda materia muy difusa, la actividad en el universo se reducirá. han disminuido dramáticamente, con niveles de energía extremadamente bajos y escalas de tiempo extremadamente largas. Especulativamente, es posible que el universo entre en una segunda época inflacionaria, o suponiendo que el estado de vacío actual sea un vacío falso, el vacío pueda decaer a un estado de menor energía.^:§VE Es También es posible que cese la producción de entropía y que el universo alcance la muerte por calor.^:§VID

Se sugiere que, con vastos períodos de tiempo, una entropía espontánea disminución eventualmente ocurriría a través del teorema de recurrencia Poincaré, fluctuaciones térmicas y teorema de fluctuación. A través de esto, otro universo podría ser creado por fluctuaciones cuánticas al azar o túnel cuántico en aproximadamente 10101056{displaystyle 10^{10^{10}}} años.

Puntos de vista opuestos

Max Planck escribió que la frase "entropía del universo" no tiene significado porque no admite una definición precisa. En 2008, Walter Grandy escribió: “Es bastante presuntuoso hablar de la entropía de un universo sobre el cual todavía entendemos tan poco, y nos preguntamos cómo se podría definir la entropía termodinámica de un universo y sus principales constituyentes que nunca se han conocido. estado en equilibrio durante 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 universalmente aceptada de entropía para sistemas fuera de equilibrio, incluso cuando se encuentran en un estado estacionario". Al discutir la cuestión de la entropía para los estados de desequilibrio 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 desequilibrio, hasta ahora ha resultado imposible definirla de una manera forma claramente satisfactoria." En opinión de Landsberg: "El tercer error es que la termodinámica y, en particular, el concepto de entropía, pueden aplicarse sin mayor investigación a todo el universo... Estos Las preguntas tienen cierta fascinación, pero las respuestas son especulaciones."

Un análisis de 2010 sobre los estados de entropía, "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 los que más contribuyen. Lee Smolin va más allá: “Se sabe desde hace mucho tiempo que la gravedad es importante para mantener al universo fuera del equilibrio térmico. Los sistemas ligados gravitacionalmente tienen calor específico negativo, es decir, las velocidades de sus componentes aumentan cuando se elimina energía... Un sistema así 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 reciente descubrimiento experimental de un estado estable y sin equilibrio en un sistema cerrado relativamente simple. Se debería esperar que un sistema aislado fragmentado en subsistemas no necesariamente alcance el equilibrio termodinámico y permanezca en un estado estacionario 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.

En la cultura popular

In Isaac Asimov 's 1956 short story The Last Question, humans repeatedly wonder how the heat death of the universe can be avoided.

En la historia de Doctor Who de 1981, "Logopolis", el Doctor se da cuenta de que los logopolitanos han creado respiraderos en el universo para expulsar el calor acumulado hacia otros universos - "Emboitments de vacío cargado" o "CVE" - retrasar la desaparición de nuestro universo. El Doctor, sin saberlo, viajó a través de un respiradero en "Círculo completo".

En el juego de ordenador de 1995 No tengo boca y debo gritar, basado en el cuento homónimo de Harlan Ellison, se afirma que AM, la malévola supercomputadora, sobrevivirá a la calentar la muerte del universo y continuar torturando a sus víctimas inmortales hasta la eternidad.

En la serie de anime de 2011 Puella Magi Madoka Magica, el antagonista Kyubey revela que es miembro de una raza alienígena que ha estado creando chicas mágicas durante milenios para recolectar su energía para combatir la entropía y evitar la muerte por calor del universo.

En el último acto de Final Fantasy XIV: Endwalker, el jugador se encuentra con una raza alienígena conocida como Ea que ha perdido toda esperanza en el futuro y cualquier deseo de vivir más, todo porque se enteraron de la eventual muerte térmica del universo y ven todo lo demás como inútil debido a su probable inevitabilidad.

La trama general de la Secuencia Xeelee se refiere a las aves Photino' esfuerzos para acelerar la muerte térmica del universo acelerando la velocidad a la que las estrellas se convierten en enanas blancas.