La muerte del Universo. Culpable: la entropía.

[JPM]

Justo estoy estudiando termodinámica para rendir en estos días, y en pleno estudio del segundo principio y la entropía se llega a la conclusión de que el Universo tiene un destino un poco triste.

La formulación matemática del segundo principio de la termodinámica nos dice que en un sistema aislado que sufre un proceso de transformación (expansión, compresión, reacción química, reacción nuclear, flujo de materia, etc.) el cambio en la entropía de este siempre aumenta o es cero en límite ideal de que la transformación sea reversible, cosa que no ocurre nunca ya que en la realidad todos los procesos son irreversibles. Ahora, qué es la entropía. Se entiende por entropía, como una propiedad termodinámica que cuantifica el desorden molecular de un sistema. Por ejemplo, un gas donde sus moléculas están rebotando para todos lados y cambiando sus direcciones y velocidades constantemente tiene una entropía mayor que un cristal solido donde las moléculas están casi perfectamente ordenas sin ninguna incertidumbre sobre su posición.

Si tomamos como sistema a todo el Universo, este sería un sistema aislado por no tener alrededores y por ende la entropía estaría continuamente aumentando. Por lo tanto, el Universo está cada vez más desordenado y esto incide en que la energía que contiene es cada vez más "sucia" y menos utilizable.

Con cada supernova, una explosión es un proceso sumamente pro-entrópico, hay energía que pasa a ser inutilizable por el aumento de entropía. Y así con todos los procesos del Universo que hacen que este tenga un destino con una muerte lenta y silenciosa. Cada vez se formaran menos estrellas, menos galaxias y esto hará que nuestro Universo se vaya enfriando hasta llegar a un punto donde haya unas pocas enanas rojas. Pero estas también verán agotado su suministro de energía y desaparecerán una a una, dejando un Universo oscuro sin nada y ninguna posibilidad de formar algo nuevo.

Hay algunas teoría no comprobadas, como por ejemplo la teoría de gravedad cuántica de bucles que habla de un Universo en constante rebote. Una vez producido el Big Bang el universo se expande, y puede llegar al estado de entropía máxima pero esta teoría predice un retroceso en la expansión y el paso a una compresión que haría que todo se juntara nuevamente en un punto. Y cuando la densidad y la temperatura sea inmensamente grande (pero no infinita) la gravedad se volvería repulsiva y tendríamos un nuevo Big Bang, un Universo en expansión y vuelta todo atrás otra vez. Eso sería el Universo en constante rebote. Es una teoría.

Bueno espero que guste el tema y que se arme debate.

Saludos a todos!

Editado 15 de Diciembre del 2009 por Invitado

[darokal]

Está bueno.

Pero puede existir tal cosa como un "ESTADO DE ENTROPIA MAXIMA"? Esto quiere decir que a partir de ahí solo puede disminuir, lo que violaría el principio.

Igual honestamente, a pesar de haber cursado un par de cursos con termo, nunca me quedó muy clara la demostración del porque de deltaS del universo >= 0... solo el concepto probabilístico de que el desorden es más probable que el orden... pero no se si eso demuestra la IMPOSIBILIDAD de que la entropía descienda.

Saludos.

PD: Me gustan tus topics, jaja

[JPM]

El estado de entropía máxima es el estado en el que cualquier sistema alcanza el equilibrio. Por ejemplo, tengo un cilindro-émbolo lleno de un gas a una presión mayor que la atmosférica. Por lo tanto el embolo puede desplazarse por la presión del gas. Indefinidamente? No, primero porque el cilindro no es de longitud infinita pero si lo fuera sólo se desplazará hasta que la diferencia de potencial se nula, es decir hasta que se igualen las presiones. Entonces cuando la presión del cilindro sea igual a la atmosférica el sistema no se expande más y llega a su estado de equilibrio con el medio, que es el estado de entropía máxima.

Con respecto al principio de incremento de la entropía. Lo que dice es que en un sistema aislado la entropía siempre crece o en el límite se mantiene constante. En al realidad cualquier sistema puede ser reducido a un sistema aislado. Lo que subyace en el principio de incremento de la entropía es que hay una "tendencia" a que esta aumente, pero en algún caso puede disminuir. Por ejemplo, tengo una vaso con jugo a 25ºC (298 K) y le pongo un hielo que está a supongamos -5ºC (268 K). La energía (calor) se transfiere del jugo al hielo. El jugo se enfría y el hielo se calienta. Si el jugo transmite, otra suposición, 5000 J de energía al hielo, recurriendo a la ecuación del cambio de entropía: delta(S)=delta(Q)/T, donde S es la entrópia, Q el calor y T la temperatura al momento de la transferencia. Para el sistema hielo, delta(S) = 5000 J/268 K = 18,66 J/K, su entropía aumenta. Pero para el sistema jugo que cede la energía, delta(S) = -5000 J/298 K = -16,78 J/K, su entropía disminuye.

Atención ahora, si tomo a todo mi universo en estudio y calculo su cambio de entropia, es decir el cambio en el hielo más el cambio en el jugo: 18,66 J/K - 16,78 J/K = 1,88 J/K, la entropía ha aumentado. Y el Universo después de este proceso está más desordenado. Para la segunda ley se tiene en cuenta (sistema + entorno) que es el universo. Para un sistema aislado la entropía siempre pero siempre aumenta.

Para el caso en que el Universo rebota, entendamos que es una teoría. Y para esta teoría no exisitiría el estado de equilibrio donde la entropía es máxima y el incremento de esta se daría a través de los multiversos en creación por el rebote cósmico Es complicado y todo esto está en estudio todavía.

Espero haber sido claro, porque por ahi puede que enrosque un poco las cosas.

Me alegra que te gusten estos temas Te mando un abrazo.

[darokal]

Veamos...

Decís que según está teoría, cuando nuestro universo se empiece a contraer, la entropía de todos los universos aumentaría de todas formas porque si bien disminuye en el nuestro aumenta en otros univesos?

Qué nombre tiene esta teoría?

Saludos.

[JPM]

No, no. Cuando digo multiversos no me refiero a que hay otros universos en existencia simultánea al nuestro. Los sucesivos universos que se van formando por el rebote generan mayor entropía. Esta teoría se denomina Gravedad Cuántica de Bucles, googleala y te aseguro que encontrás mucho y mejor explicado.

Es más me acuerdo de haber leído, no quiero equivocarme, pero me parece que fue Roger Penrose quien defiende un aspecto parecido a este del rebote cósmico que dice que cuando los sucesivos universos se forman desde ese cuerpo minúsculo de densidad enorme, pero no infinita (esta es una de las principales diferencias con la teoría del Big Bang que se basa en una singularidad de densidad infinita), ven ajustadas las constantes universales (masa del electrón, masa del protón, velocidad de la luz, constante de Planck, constante de las distintas fuerzas, etc.) y por ende irán generando universos con distintos "aspectos". Yo lo entiendo como que por ejemplo puede haber un universo donde el proton tenga un peso distinto y se generen elementos distintos. O que la constante de Planck tenga un valor mucho mayor al de nuestro universo y no exista el principio de incertidumbre. Que se yo da para pensar y mucho.

[winter]

Hola a todos!! Antes que nada te felicito Juan, tus post son mas que interesantes.

Estoy de acuerdo con muchas de las cosas que han planteado, pero quería comentarles algunas cosas con respecto a ellas para aclarar ( o complicar todavía mas) el tema.

Con respecto a lo que planteas Juan de la posibilidad de disminuir la entropia en un sistema, me parece que eso solo depende de tu arbitrariedad para definir el sistema en cuestion, ya que si "amplias" los margenes de ese sistema la entropia seguiría en aumento. Por ej.: en el caso del embolo-cilindro, para movilizar el embolo vos necesitarías entregar energía a ese embolo para desplazarlo y entonces por un lado al utilizar ese energía colaboras al aumento de entopia en un sistema mayor. Lo mismo que en el sistema jugo-hielo, ya que para crear el sistema hielo ( de menor entropia que en fluido) utilizaste energía eléctrica la cual a sus vez, colaboro con el aumento de entropia en otro sistema (heladera-ambiente por ej).

Lo que no me cierra del todo es lo que comentas con respecto a que el Big bang parte de una densidad infinita, ya que esta planteado que la misma no era infinita y ahi es en donde entra en juego la teoría Inflacionaria ( la cual debo decir que no me cierra del todo ).

No me quedo claro es porque decís que siempre la energía del universo pasaría a un estado "no-utilizable".

Me encanta que reviva esta parte del foro ya que hay mucha gente que sabe mucho del tema ( no es mi caso y nos puede enseñar muchísimo al respecto).

Saludos a todos.-

[JPM]

Hola Winter. Me alegra mucho que te haya gustado el post. Espero poder hacer mas y que se arme debate sobre estas cosas que la verdad me gustan mucho.

Respecto a lo que planteas de la arbitrariedad para definir el sistema es justamente lo que quise aclarar con el ejemplo del jugo y el hielo. Para uno la entropía disminuye y para el otro aumenta, pero en total para el universo la entropía aumento y aumenta siempre. Justamente lo que el segundo principio dice es eso, hay una tendencia de la entropía a aumentar y para el universo como sistema esta aumenta siempre. Muy bueno el ejemplo del hielo, es una caso sencillo de entender el principio de la entropía creciente. Lo claro respecto a esto es que la entropía en el universo esta en constante crecimiento con cada tranformación que este sufre.

Respecto a la teoría del Big Bang, esta dice que el Big Bang parte de una singularidad de densidad y temperatura infinita. Para la gravedad cuántica esto no es así porque supone que el estado inicial del Universo era un volumen pequeñisimo, menor que un átomo, donde se concentraba todo pero tenia densidad y temperatura muy grandes pero finitas. Imaginemos la masa de 1 billón de soles concentrada en un protón

Por lo que entiendo Guth en su teoría inflacionaria explica el porque no se pueden aplicar las leyes físicas a momentos cercanos al Big Bang y porque el Universo presenta tal grado de uniformidad siendo que una explosión es algo sumamente aleatorio. Guth dice que el Universo en esos tiempos estaba muy caliente y por ende se expandió de forma exponencial. Puede que no entienda del todo que querés plantear con esto y sería bueno que me lo explicaras de nuevo, jeje

Respecto a lo de la energía no utilizable. La termodinámica dice que cuando la entropía crece la energía pierde "calidad" y por ende es menos rentable, digamos. Por ejemplo, tengo vapor de agua a 300ºC dentro de una cámara donde hay un ventilador. Vapor a 300ºC es un sistema con gran cantidad de energía donde las moléculas golpean las aspas del ventilador con gran velocidad pero de forma desordenada, por lo tanto no las mueven y no se genera trabajo útil. El vapor a 300ºC tiene bastante entropía. A esto me refiero cuando digo que mientras la entropía crezca la energía se va a volver cada vez de menor calidad. El Universo siempre ha tenido y tendrá la misma energía (primer principio) pero su entropía aumenta segundo a segundo y hace que la energía se vuelva cada vez menos utilizable.

Que siga el baile, eh! Saludos.

[winter]

Gracias Juan, ahora me quedo claro a lo que te referías de la energía no utilizable.

Lo que te comentaba es, que hasta donde tengo entendido, Guth plantea la Inflación Cósmica basándose en que el Universo no era justamente "infinito" (siempre hablando del primer segundo) y, su planteo es justamente, para justificar el hecho de que no se hubiera contraído nuevamente. Solo lo comentaba para graficar que existen diferentes teorías para explicar el mismo sucesos de diferentes maneras. Igualmente repito que esta teoría no me termina de convencer ya que en algún punto violaría el principio. El tema es eterno y complejisimo, pero no por eso deja de ser interesante, no?

Saludos a todos..

[Cademarb]

Hola Mauricio:

Es acertado lo que decís, cuando el universo se convierta en una singularidad (o algo semejante) el principio dejaría de ser aplicable y el nuevo universo que nace del rebote puede tener leyes físicas completamente distintas del precedente. No comparto lo de "principio autodestructivo", porque sería como definir a la vida como autodestructiva porque indefectiblemente termina en la muerte. Todo lo que evoluciona tiene un final y en el universo todo evoluciona.

Juan Pablo:

Lo que nunca me cierra en las teorías de universos pulsantes es la era del plasma y los primeros (o últimos) 300.000 años aprox. desde la singularidad. Partiendo de la base que lo único que no se puede reducir son los agujeros negros, una vez llegada la era del plasma, en la cual todos los átomos son descompuestos en sus constituyentes, y teniendo como vecinos cada vez más próximos a las miríadas de agujeros negros formados durante el tiempo que duró la vida del universo daría como resultado un super archi masivo agujero negro que engulliría hasta el útimo quark aproximadamente llegando a la era leptónica (en reversa). En ese momento necesitaríamos la varita mágica para convertir el agujero negro en un agujero blanco que expulsara de nuevo toda la materia-energía y el espacio-tiempo para crear un nuevo universo. El problema en esta ecuación sigue siendo el desconocimiento de las características de la materia oscura y sus influencias, tanto cuánticas como cosmológicas.

El segundo razonamiento es: Si venimos de una era del plasma y vamos hacia una era del plasma, en un universo con leyes de conservación de la materia y energía. ¿no son entrópicamente indistinguibles estas dos eras? La única diferencia entre las dos eras será la materia-energía que haya caído en los agujeros negros, pero esto (por definición) ya no forma parte de este universo, por lo cual no pueden influir por no formar parte del sistema.

[Cademarb]

Hola Ademar, que tal?

La teoria del universo pulsante, estaria entonces compuesta, o mas bien complementada, de entropia y "sintropia.

En realidad no son conceptos absolutos, son relativos dentro del sistema, como el calor. No existe algo caliente o algo frío, es más caliente que... o más frio que... pero para justificar esa característica debes tener previamente la opuesta. Para que algo se caliente debe haber estado más frío antes y viceversa. O sea que si un sistema tiende a la entropía debe haber sido anteriormente más sintrópico.

El gran problema de los universos cíclicos son los estados repetitivos, que aparentemente tendrían la misma entropía pero estarían en extremos opuestos de la linea temporal, lo que según la segunda ley de la termodinámica sería imposible.

[JPM]

En realidad no son conceptos absolutos, son relativos dentro del sistema, como el calor.

SI Ademar me permite voy a corregir en esta frase algo que me parece es un error de concepto. El calor no está dentro de un sistema por ende no puede ser relativo o absoluto. El calor aparece en los límites del sistema como transferencia de energía térmica. No existe algo como "este cuerpo tiene 2 J de calor" o "este cuerpo tiene más calor que este otro". A lo que entiendo se refiere Ademar es a la temperatura. Si podemos hablar de un cuerpo más caliente o más frío por su temperatura, que si es una propiedad del sistema. Y absoluta.

Sin duda un cuerpo que se hace más entrópico es porque antes era más sintrópico, pero no por eso definiría a la entropía como algo relativo. Existe el tercer principio de la termodinámica que define perfectamente a la entropía como algo absoluto.

Finalmente comparto el último párrafo donde Ademar denota la violación del segundo principio para universos repetitivos, es una debilidad de esta teoría que lo justifica, como comentamos en el tema Universo Cíclico y Segunda Ley de la Termodinámica., argumentando que después de cada gran explosión, el nuevo universo "desconoce" el estado entrópico del anterior. Por lo tanto no existiría algo como iguales estado de entropía en distintos sitios de la línea temporal.

[Cademarb]

Perdón, cometí el error de no aclarar que tomé para graficar la forma "coloquial" en la que uno se refiere a las distintas temperaturas de un cuerpo y no a al fenómeno físico de la transmisión de calor. Está perfecta tu aclaración y Lord Kelvin agradecido.

En cuanto a la tercera ley, te voy a conceder que solo matemáticamente o como postulado es alcanzable la entropía absoluta .

(si querés lo charlamos acá o en otro topic)

Un abrazo Juan Pablo gusto en verte.

[Miguel L]

Hola a todos:

Encuentro graves problemas al querer aplicar la termodinamica al "sistema" Universo, pues 1º) el Universo por definicion carece de "entorno" o "recipiente"; 2º) por la expansion no es un "sistema cerrado", pareceria abierto, y en 4 dimensiones..., 3º) no se puede asegurar que no intercambia "energia oscura" o que la "materia oscura" forma parte o no del sistema pero si se manifiesta en este. 4º) Los agujeros negros son procesos espontaneos, y sin embargo parecerian aumentar el "orden" por concentracion, (disminucion de entropia), en la materia absorbida.

Estoy conciente de que algunas objeciones no se pueden comprovar (todabia), pero deberiamos repensar su aplicacion.

Saludos.

[JPM]

Miguel la segunda ley de la termodinámica es una ley científica bien comprobada para los fenómenos y experiencias que son tangibles a nuestra vida. Por ciertas mediciones se ha comprobado este principio, en otras partes del Universo. Pero justamente no se sabe como puede llegar a funcionar a otras escalas.

Por el momento es lo mejor que tenemos y funciona bastante bien. Y seguirá siendo una ley hasta no tener la capacidad para experimentar en otros contextos que la pongan a prueba.

[Miguel L]

Miguel la segunda ley de la termodinámica es una ley científica bien comprobada para los fenómenos y experiencias que son tangibles a nuestra vida. Por ciertas mediciones se ha comprobado este principio, en otras partes del Universo. Pero justamente no se sabe como puede llegar a funcionar a otras escalas.

Por el momento es lo mejor que tenemos y funciona bastante bien. Y seguirá siendo una ley hasta no tener la capacidad para experimentar en otros contextos que la pongan a prueba.

Estimado Juan Pablo, coincido totalmente contigo en todos tus conceptos, mas, no me cabe ninguna duda que se podria provar en cualquier parte (posterior a los premeros momentos del B.B.), y que el 2º principio esta sin lugar a duda "expuesto" en la expansion del Universo, considerandolo como un aumento del "desorden" y la "muerte termica del U."

Sin embargo cada uno de los puntos objetados se corresponden con limitacionesde los propios postulados, reconociendo "ambitos" de aplicacion, al pretender reconocer a "todo" el U. como "sistema", en el 1º) Al carecer de "resipiente" se niega la posivilidad de intercambiar "calor". 2) No es un "sistema cerrado", por lo menos en lo que se comprende "termodinamicamente", la 3) creo que se entiende. y la 4) si hay algun proceso espontaneo opuesto al tambien proceso espontaneo usado para fundamentarla, como la expansion de un gas, son los agujeros negros, pues en la "implosion" espontanea, aumenta el "orden" y por consiguiente disminuye la entropia del sistema.

Repito, las objesiones estan dirigidas a considerar a todo el Universo como sistema Termodinamico.

Tampoco es mi intension polemisar, pero siempre valoriso conceptos superiores.

Saludos y gracias por vuestro tiempo.

[JPM]

Miguel, al decir que el Universo no tiene "recipiente" estás tomando las cosas de forma muy literal. El Universo es la suma de sistema y alrededores, todo lo conocido. Por esto ya cumple la condición para ser un sistema aislado ya que no hay nada fuera de él. Por supuesto que uno en ciencia tiene que hacer ciertas suposiciones en sus hipótesis y demostraciones. Lo segundo creo que ya está respondido con la explicación anterior, el Universo es un sistema aislado no cerrado ni abierto. Su expansión no determina intercambios de energía (calor, trabajo, flujo másico) con el exterior que es una característica de los sistemas abiertos.

Respecto a tu tercera aseveración, creo que es algo que ni el mejor científico en la actualidad podría responderte con certeza. La energía oscura y la materia oscura son entes del Universo descubiertos hace muy poco y se sabe muy poco de ellos. Creo que nadie está en condiciones de inferir sobre estos fenómenos. Si imaginar.

En cuanto al tema de que los agujeros negros, no se si te referís a lo que en un momento supuso Hawking, pero este ya tuvo que retractarse por algunas suposiciones erróneas. Los agujeros negros respetan el principio de incremento de la entropía ya que la entropía de la materia que engullen queda atrapada en el horizonte de sucesos y puede ser liberada luego mediante la radiación de Hawking o la vaporización del agujero. Este es un tema que aún está en estudio y tal vez hasta que no se unifique la física no se pueda dar una explicación del todo convincente ya que intervienen aspectos de relatividad general y mecánica cuántica a la vez.

Podemos estar hablando de que porque se concentra masa en un espacio muy pequeño, el Universo se vuelve más ordenado y disminuye la entropía pero en el balance final si contabilizamos la explosión descomunal que se lleva a cabo para generar ese agujero negro el saldo es un aumento de la entropía. Te recomiendo que leas en la primer página de este post un ejemplo que doy del vaso con jugo y hielo. Es bastante significativo y se asemeja al tema del agujero negro. Por ahí es muy factible de ser mal interpretado el principio de incremento de la entropía, que no dice que la entropía no pueda disminuir en algún sistema cerrado o abierto.

Espero haber sido claro.

Saludos!

[alberto gentile]

Bien, me propuse comenzar el cruce de la ecuación entrópica y la ecuación de estado de los gases, asociando el universo como una masa de gas, que lo es, el tema la entrada de algunas ctes. pero las variables como m,v,Q,eso me dificulta algo, el planteo, pero lo que supongo como valido, vaya contradicción, es que toda la masa se transforma en calor a medida que la expansión avanza.

vere a donde llego, no soy Astronomo, si Ing. Quimico y fotógrafo. veremos.

gracias por leer

Alberto

[rickchavo]

Me quedé pensando.... Qué papel jugarán las fluctuaciones cuánticas en un Universo cada vez más cercano al cero absoluto? O sea, con entropía máxima? Será que alguna de esas fluctuaciones permitirá de alguna manera escapar de la trampa termodinámica? Qué opinan?

[Sculptor]

JMP:

1) Después de casi seis años que publicaste este post, te comento que un reciente estudio de 200.000 galaxias ha revelado que el universo genera alrededor de la mitad de estrellas en comparación a como lo hizo hace 2 mil millones de años, demostrando que estabas bien encaminado con tus comentarios, el universo se esta apagando - muriendo lentamente.

2) Respecto a la retractación de Hawking en relación a la pérdida de información en los agujeros negros, seguramente lo habrás léido, pero por las dudas te comento que existe un informe realizado por GEO600 (detector de ondas gravitacionales) en relación a la posibilidad de haber detectado señales de ruido identicas a las anticipadas por Craig Hogan del Fermi LAB (todo ello relacionado a la teoría del universo holográfico).

[Astroman]

Hola a todos:

Muy interesante....

¿Podrías indicar algunos enlaces?

Este post va a estar en discusión durante décadas...

Es un tema verdaderamente fundamental.

Es una gran cosa que esté acá en EP.

Saludos RGF

[fsr]

Entendí que la muerte del universo sería cuando todo esté a la misma temperatura

El calor se transfiere desde los objetos mas calientes a otros que están mas fríos, entonces es un camino de ida a que todo esté a la misma temperatura y no haya mas transferencias posibles.

[c4r4j0]

Temperatura: radiación electromagnética, fotones, c, expansión del espacio.

Ah! Si! Lógico!

Por qué la sorpresa?

Gracias!

[JPM]

JMP:

1) Después de casi seis años que publicaste este post, te comento que un reciente estudio de 200.000 galaxias ha revelado que el universo genera alrededor de la mitad de estrellas en comparación a como lo hizo hace 2 mil millones de años, demostrando que estabas bien encaminado con tus comentarios, el universo se esta apagando - muriendo lentamente.

2) Respecto a la retractación de Hawking en relación a la pérdida de información en los agujeros negros, seguramente lo habrás léido, pero por las dudas te comento que existe un informe realizado por GEO600 (detector de ondas gravitacionales) en relación a la posibilidad de haber detectado señales de ruido identicas a las anticipadas por Craig Hogan del Fermi LAB (todo ello relacionado a la teoría del universo holográfico).

Había leído sobre lo que comentas en el punto 2. Y es realmente interesante ese estudio sobre el descenso en la tasa de natalidad estelar.. Supongo que habrá que seguir esperando otros hallazgos relacionados con estos temas. Ahora tenemos el LHC, el cual aparentemente de a poco va consiguiendo algunos resultados interesantes (Boson de Higgs en 2013, pavada de hallazgo).

Como ya lo dijeron otros foreros este es un tema tan fundamental que se viene debatiendo hace décadas y seguirá por muchas más.

Saludos!

[Sculptor]

Hola Astroman, que bueno que te resulte interesante el tema. En mi entorno ya desistí hablar de estos temas, me estaba ganando muchos enemigos jajaj

Te paso los principales links, derivados de ellos te vas a cansar de encontrar. Disculpame que estén en inglés.

Saludos!

Fabián

http://www.space.com/30210-universe-is- ... lowly.html

http://www.geo600.org/1100556/Gravitati ... c_Universe

http://www.fnal.gov/pub/presspass/press ... 40826.html

https://www.newscientist.com/article/dn ... -hologram/

Del primer link, se publicó la misma nota pero en Español: http://www.cosmonoticias.org/universo-m ... entamente/