La muerte por calor del universo (también conocida como Big Chill o Big Freeze ) [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, no podrá sostener procesos que aumenten la entropía . La muerte por calor no implica ninguna temperatura absoluta 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 , 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 por calor, [3] 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 a escala universal. . Esto también le permitió a Kelvin formular la paradoja de la muerte por calor , que refuta un universo infinitamente viejo. [4]
La idea de la muerte por calor surge de la segunda ley de la termodinámica , de la cual una versión afirma 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 la correspondencia posterior 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. [5]
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 . [6]
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. En concreto, 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, entre causa y efecto." [7]
En 1852, Thomson publicó Sobre una tendencia universal en la naturaleza hacia la disipación de energía mecánica , en el que esbozó los rudimentos de la segunda ley de la termodinámica resumida en la idea de que el movimiento mecánico y la energía utilizada para crear ese movimiento tenderán naturalmente a disiparse. o correr hacia abajo. [8] Las ideas contenidas en 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 dice que los tres intercambiaron ideas sobre este tema. [6] 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), llevando 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 y muerte universal, si el universo fuera finito y se le permitiera obedecer 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 infinito, de acción que implica la transformación de energía potencial en movimiento palpable y, por tanto, en calor , que a un único mecanismo finito, que se detiene como un reloj y se detiene para siempre. [4]
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, dando como resultado un "universo rejuvenecedor" - requeriría "un acto creativo o un acto que posea un poder similar". [9] [10] 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 se requiere más trabajo y producción de entropía. todavía son posibles. 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 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 el universo terminaría en un "calor". muerte" (Helmholtz), que será el "fin de todos los fenómenos físicos" (Rankine). [6] [12] [ ¿ fuente poco confiable? ]
Las propuestas sobre el estado final del universo dependen de los supuestos que se hacen sobre su destino final, y estos supuestos han variado considerablemente a finales del siglo XX y principios del XXI. En un universo hipotéticamente "abierto" o "plano" que continúa expandiéndose indefinidamente, se espera que eventualmente ocurra una muerte por calor o un Gran Desgarro . [3] [13] 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 . [14]
La teoría sugiere que desde el " Big Bang " hasta el día de hoy, se cree que la materia y la materia oscura del universo se concentraron en estrellas , galaxias y cúmulos de galaxias , y se presume que continuarán haciéndolo en el futuro. Por 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 de galaxia (10 11 masas solares ) debido a la radiación de Hawking es del orden de 10 100 años, [16] por lo que se puede producir entropía hasta al menos ese tiempo. Se predice que algunos grandes agujeros negros del universo seguirán creciendo hasta quizás 10 14 M ☉ durante el colapso de los supercúmulos de galaxias. Incluso estos se evaporarían en un plazo de hasta 10.106 años . [17] 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 . [15] :§VIA Con sólo materia muy difusa restante, la actividad en el universo habrá 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 . [15] :§VE También es posible que cese la producción de entropía y que el universo alcance la muerte por calor. [15] :§VID
Se sugiere que, durante vastos períodos de tiempo, eventualmente se produciría una disminución espontánea de entropía mediante el 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 mediante fluctuaciones cuánticas aleatorias o túneles cuánticos 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 de 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 totalmente injustificable de que el universo puede ser tratado como un sistema termodinámico cerrado". [29] Según Giovanni Gallavotti , "no existe una noción universalmente aceptada de entropía para sistemas fuera de equilibrio, incluso cuando se encuentran en un estado estacionario". [30] Al discutir la cuestión de la entropía para los estados de desequilibrio 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 tal entropía de desequilibrio, hasta ahora ha resultado imposible definirlo de forma 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 mayor investigación a todo el universo... Estas preguntas tienen cierta fascinación, pero las respuestas son especulaciones." [32]
Un análisis de entropía de 2010 afirma: "Aún se desconoce la entropía de un campo gravitacional general" 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. [33] 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. ... Un sistema así no evoluciona hacia un estado de equilibrio homogéneo, sino que se vuelve cada vez más estructurado y heterogéneo a medida que se fragmenta en subsistemas." [34] Este punto de vista también se ve respaldado por el hecho de que recientemente [ ¿cuándo? ] descubrimiento experimental de un estado estable de no 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 . [35] [36]
En el cuento de Isaac Asimov de 1956 La última pregunta , los humanos se preguntan repetidamente cómo se puede evitar la muerte por calor del universo.
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 la acumulación de calor hacia otros universos ("Emboitments de vacío cargados" o "CVE") para retrasar la desaparición del universo. El Doctor, sin saberlo, atravesó un respiradero de este tipo en " Full Circle ".
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 muerte por calor del universo y continuará torturando a su inmortal. Víctimas para 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 ha enterado de la eventual muerte por calor del universo y ver todo lo demás como inútil debido a su probable inevitabilidad.
La trama general de la secuencia Xeelee se refiere a los esfuerzos de los pájaros Photino 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 por calor del universo y la teoría de que el universo es un ciclo de big bangs una vez que el anterior ha experimentado una muerte por calor.
ai_sponge ha tenido su versión de Calamardo Tentáculos afirmando que la muerte por calor del universo ocurriría el 12 de agosto de 2036. [37]
Dado que hemos asumido una escala máxima de unión gravitacional (por ejemplo, supercúmulos de galaxias), la formación de agujeros negros eventualmente 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... a 10
106
años para agujeros negros de hasta 10
14
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Difícilmente se puede [sobre]estimar la importancia de las Vorlesungen über Thermodynamik de Planck (Planck 1897). El libro ha pasado por 11 ediciones, desde 1897 hasta 1964, y sigue siendo la exposición más autorizada de la termodinámica clásica.
