La muerte térmica del universo (también conocida como el Gran Enfriamiento o Gran Congelación ) [1] [2] es una hipótesis sobre el destino final del universo , 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 térmica no implica ninguna temperatura absoluta en particular ; solo requiere que las diferencias de temperatura u otros procesos ya no puedan explotarse para realizar trabajo . En el lenguaje de la física , esto es cuando el universo alcanza el equilibrio termodinámico .
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 térmica, [3] y el universo se enfriará hasta acercarse al equilibrio a una temperatura muy baja después de un largo período de tiempo.
La hipótesis de la muerte térmica se deriva 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 materializa en las dos primeras leyes de la termodinámica ) y la extrapoló a procesos más grandes a escala universal. Esto también le permitió a Kelvin formular la paradoja de la muerte térmica , que refuta la idea de un universo infinitamente viejo. [4]
La idea de la muerte térmica se deriva 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 donde toda la energía se distribuye 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, hasta llegar a ser demasiado fríos para albergar 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 correspondencia que siguió con Voltaire . En opinión de Bailly, todos los planetas tienen un calor interno y se encuentran ahora en una 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, en esta opinión, se describe como uno de "equilibrio" en el que cesa todo movimiento. [5]
Sin embargo, la idea de la muerte térmica como consecuencia de las leyes de la termodinámica fue propuesta por primera vez en términos generales a principios 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 ideas de Thomson fueron elaboradas durante la década siguiente por Hermann von Helmholtz y William Rankine . [6]
La idea de la muerte térmica del universo se deriva de la discusión sobre la aplicación de las dos primeras leyes de la termodinámica a los procesos universales. En concreto, en 1851, Lord Kelvin expuso su 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 el calor, como entre causa y efecto". [7]
En 1852, Thomson publicó Sobre una tendencia universal en la naturaleza a la disipación de la energía mecánica , en el que esbozó los rudimentos de la segunda ley de la termodinámica resumidos en la idea de que el movimiento mecánico y la energía utilizada para crear ese movimiento tenderán naturalmente a disiparse o agotarse. [8] Las ideas de este artículo, en relación con su aplicación a la edad del Sol y la dinámica de la operación universal, atrajeron a personas como William Rankine y Hermann von Helmholtz. Se dice 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), que conducen 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 aclaraba 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 le permitiera obedecer a las leyes existentes. Pero es imposible concebir un límite a la extensión de la materia en el universo; y por lo tanto, la ciencia apunta más bien a un progreso sin fin, a través de un espacio sin fin, de acción que implica la transformación de energía potencial en movimiento palpable y, por lo tanto, en calor , que a un único mecanismo finito, que funciona como un reloj y se detiene para siempre. [4]
El ejemplo del reloj muestra que Kelvin no estaba seguro de si el universo alcanzaría finalmente el equilibrio termodinámico . Thompson especuló más tarde que restaurar la energía disipada en " vis viva " y luego el trabajo utilizable -y por lo tanto revertir la dirección del reloj, resultando en un "universo rejuvenecedor"- requeriría "un acto creativo o un acto que poseyera un poder similar". [9] [10] A partir de esta publicación, Kelvin también introdujo la paradoja de la muerte térmica (paradoja de Kelvin), que desafió el concepto clásico de un universo infinitamente viejo, ya que el universo no ha alcanzado su equilibrio termodinámico, por lo que aún es posible la producción de más trabajo y entropía . La existencia de estrellas y las diferencias de temperatura pueden considerarse una prueba empírica de que el universo no es infinitamente viejo. [11] [4]
En los años posteriores 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 interpretaron sus artículos más a fondo al publicar opiniones que afirmaban que Thomson sostenía que el universo terminaría en una "muerte térmica" (Helmholtz), que sería el "fin de todos los fenómenos físicos" (Rankine). [6] [12] [ ¿ fuente poco confiable? ]
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 hipotético universo "abierto" o "plano" que continúa expandiéndose indefinidamente, se espera que finalmente ocurra una muerte térmica o un Big Rip . [3] [13] Si la constante cosmológica es cero, el universo se acercará a la temperatura de cero absoluto en una escala de tiempo muy larga. Sin embargo, si la constante cosmológica es positiva , la temperatura se moverá asintóticamente 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 trabajo . [14]
La teoría sugiere que desde el " Big Bang " hasta el día de hoy, se piensa que la materia y la materia oscura en el universo han estado concentradas en estrellas , galaxias y cúmulos de galaxias , y se presume que continuarán haciéndolo en el futuro. Por lo tanto, el universo no está en equilibrio termodinámico , y los objetos pueden realizar trabajo físico. [15] :§VID El tiempo de desintegración de un agujero negro supermasivo de aproximadamente 1 masa galáctica (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 al menos hasta ese momento. Se predice que algunos agujeros negros grandes en el universo continuarán creciendo hasta quizás 10 14 M ☉ durante el colapso de los 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 de un gas diluido de fotones y leptones . [15] :§VIA Con solo materia muy difusa restante, la actividad en el universo habrá disminuido drásticamente, con niveles de energía extremadamente bajos y escalas de tiempo extremadamente largas. Especulativamente, es posible que el universo pueda entrar en una segunda época inflacionaria , o suponiendo que el estado de vacío actual es un falso vacío , el vacío puede decaer en un estado de energía más baja . [15] :§VE También es posible que la producción de entropía cese y el universo alcance la muerte térmica. [15] :§VID
Se sugiere que, durante vastos períodos de tiempo, eventualmente se produciría una disminución espontánea de la entropía a través del teorema de recurrencia de Poincaré , [18] fluctuaciones térmicas , [19] [20] [21] y el teorema de fluctuación . [22] [23] A través de esto, posiblemente se podría crear otro universo por fluctuaciones cuánticas aleatorias o tunelización cuántica en aproximadamente años. [24]
Max Planck escribió que la frase "entropía del universo" no tiene significado porque no admite una definición precisa. [25] [26] En 2008, Walter Grandy escribió: "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 principales constituyentes que nunca han estado en equilibrio en toda su existencia". [27] Según László Tisza , "si un sistema aislado no está en equilibrio, no podemos asociarle una entropía". [28] Hans Adolf Buchdahl escribe sobre "la suposición completamente injustificable de que el universo puede tratarse como un sistema termodinámico cerrado". [29] Según Giovanni Gallavotti , "no existe una noción universalmente aceptada de entropía para sistemas fuera de equilibrio, incluso cuando están en un estado estacionario". [30] Al tratar la cuestión de la entropía para los estados de no equilibrio en general, Elliott H. Lieb y Jakob Yngvason expresan su opinión de la siguiente manera: "A pesar de que la mayoría de los físicos creen en dicha entropía de no equilibrio, hasta ahora ha resultado imposible definirla de una manera claramente satisfactoria". [31] En opinión de Peter Landsberg: "El tercer error es que la termodinámica, y en particular, el concepto de entropía, puede aplicarse sin más investigación a todo el universo... Estas preguntas tienen cierta fascinación, pero las respuestas son especulaciones". [32]
Un análisis de la entropía de 2010 afirma que "aún no se conoce la entropía de un campo gravitatorio general" y que "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 creía anteriormente. Esto se debe a que el análisis concluye que los agujeros negros supermasivos son los principales contribuyentes. [33] Lee Smolin va más allá: "Hace tiempo que se sabe que la gravedad es importante para mantener al universo fuera del equilibrio térmico. Los sistemas ligados gravitacionalmente tienen un calor específico negativo, es decir, las velocidades de sus componentes aumentan cuando se elimina la energía... Un sistema de este tipo 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". [34] Este punto de vista también está respaldado por el hecho de un reciente [ ¿cuándo? ] descubrimiento experimental de un estado estable de no equilibrio en un sistema cerrado relativamente simple. Es de 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 . [35] [36]
En el cuento La última pregunta de Isaac Asimov de 1956 , los humanos se preguntan repetidamente cómo se puede evitar la muerte térmica del universo.
En la historia de Doctor Who de 1981 " Logópolis ", el Doctor se da cuenta de que los logopolitanos han creado conductos de ventilación en el universo para expulsar la acumulación de calor hacia otros universos ("Charged Vacuum Emboitments" o "CVE") para retrasar la desaparición del universo. El Doctor viajó sin saberlo a través de uno de esos conductos en " Full Circle ".
En el juego de computadora de 1995 I Have No Mouth, and I Must Scream , basado en el cuento de Harlan Ellison del mismo nombre , se afirma que AM, la supercomputadora malévola, sobrevivirá a la muerte térmica del universo y continuará 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 cosechar su energía para combatir la entropía y evitar la muerte térmica 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 han enterado 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 centra en los esfuerzos de los pájaros fotinos por acelerar la muerte térmica del universo acelerando la velocidad a la que las estrellas se convierten en enanas blancas.
El exitoso videojuego independiente de 2019 Outer Wilds tiene varios temas que abordan la idea de la muerte térmica del universo y la teoría de que el universo es un ciclo de grandes explosiones una vez que el anterior ha experimentado una muerte térmica.
En Singularity Immemorial [37] —el séptimo evento principal de la historia del juego para dispositivos móviles Girls' Frontline: Neural Cloud— la trama trata sobre un sector virtual creado para simular la exploración espacial y la amenaza de la muerte térmica del universo. La simulación utiliza una imitación de las entidades virales de Neural Cloud conocidas como Entropics como sustituto de los efectos de una muerte térmica.
La muerte térmica del universo se convirtió en un chiste recurrente en la transmisión en vivo de ai_sponge . [ cita requerida ]
Puesto que hemos asumido una escala máxima de enlace 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
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... la escala de tiempo para que los agujeros negros irradien todos sus rangos de energía ... hasta 10
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años para agujeros negros de hasta 10
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Difícilmente se puede sobrestimar la importancia de las Vorlesungen über Thermodynamik (Planck 1897) de Planck. El libro ha pasado por 11 ediciones, desde 1897 hasta 1964, y sigue siendo la exposición más autorizada de la termodinámica clásica.
