La paradoja de la muerte térmica , también conocida como paradoja termodinámica , paradoja de Clausius y paradoja de Kelvin , [1] es un argumento reductio ad absurdum que utiliza la termodinámica para demostrar la imposibilidad de un universo infinitamente antiguo. Fue formulada en febrero de 1862 por Lord Kelvin y ampliada por Hermann von Helmholtz y William John Macquorn Rankine . [2] [3]
Suponiendo que el universo es eterno, surge una pregunta: ¿Cómo es posible que no se haya alcanzado ya el equilibrio termodinámico ? [4]
Esta paradoja teórica se dirige a la corriente dominante en aquel momento en la creencia de que el universo es sempiterno , según la cual su materia es eterna y siempre ha sido reconocible como tal. La paradoja de la muerte térmica nace de un paradigma resultante de ideas fundamentales sobre el cosmos. Es necesario cambiar el paradigma para resolver la paradoja.
La paradoja se basaba en el punto de vista mecánico rígido de la segunda ley de la termodinámica postulada por Rudolf Clausius y Lord Kelvin , según la cual el calor solo puede transferirse de un objeto más cálido a uno más frío. Señala: si el universo fuera eterno, como se afirma clásicamente, ya debería ser frío e isótropo (sus objetos deberían tener la misma temperatura y la distribución de materia o radiación debería ser uniforme). [4] Kelvin comparó el universo con un reloj que funciona cada vez más lento, disipando constantemente energía en calor impalpable , aunque no estaba seguro de si se detendría para siempre (alcanzar el equilibrio termodinámico). Según este modelo, la existencia de energía utilizable, que puede usarse para realizar trabajo y producir entropía, significa que el reloj no se ha detenido, ya que no se contempla una conversión de calor en energía mecánica (lo que Kelvin llamó un escenario de universo rejuvenecedor ). [5] [2]
Según las leyes de la termodinámica, cualquier objeto caliente transfiere calor a su entorno más frío, hasta que todo está a la misma temperatura . Para dos objetos a la misma temperatura fluye tanto calor de un cuerpo como del otro, y el efecto neto es que no hay cambio. Si el universo fuera infinitamente viejo, debe haber habido suficiente tiempo para que las estrellas se enfriaran y calentaran sus alrededores. Por lo tanto, todo debería estar a la misma temperatura y no debería haber estrellas, o todo debería estar tan caliente como las estrellas. El universo debería así alcanzar, o tender asintóticamente a, el equilibrio termodinámico, que corresponde a un estado en el que no queda energía libre termodinámica y, por lo tanto, no es posible ningún trabajo adicional: esta es la muerte térmica del universo, como predijo Lord Kelvin en 1852. La temperatura media del cosmos también debería tender asintóticamente a Kelvin Zero , y es posible que se alcance un estado de entropía máxima . [6]
En febrero de 1862, Lord Kelvin utilizó la existencia del Sol y las estrellas como prueba empírica de que el universo no ha alcanzado el equilibrio termodinámico , ya que la producción de entropía y el trabajo libre aún son posibles, y existen diferencias de temperatura entre los objetos. Helmholtz y Rankine ampliaron el trabajo de Kelvin poco después. [2] Dado que hay estrellas y objetos más fríos, el universo no está en equilibrio termodinámico, por lo que no puede ser infinitamente viejo.
La paradoja no surge en el Big Bang ni en su exitoso refinamiento Lambda-CDM , que postula que el universo comenzó hace aproximadamente 13.800 millones de años, no hace tanto tiempo como para que el universo se hubiera acercado al equilibrio termodinámico. Algunas propuestas de refinamiento posteriores, denominadas inflación eterna , restablecen la idea de Kelvin del tiempo infinito en la forma más complicada de un multiverso eterno en expansión exponencial en el que continuamente nacen universos bebés mutuamente inaccesibles, algunos de los cuales se parecen al universo que habitamos.
La paradoja de Olbers es otra paradoja que pretende refutar la existencia de un universo estático infinitamente antiguo, pero sólo encaja en un escenario de universo estático . Además, a diferencia de la paradoja de Kelvin, se basa en la cosmología en lugar de la termodinámica. El cerebro de Boltzmann también puede relacionarse con la de Kelvin, ya que se centra en la generación espontánea de un cerebro (lleno de recuerdos falsos) a partir de fluctuaciones de entropía , en un universo que ha estado en un estado de muerte térmica durante un tiempo indefinido. [7]