¿Qué relación existe entre la visión del tiempo en termodinámica y en relatividad general?

Question

Desde mi limitada comprensión de la física, parece que la segunda ley de la termodinámica, según la cual la entropía nunca disminuye con el tiempo en un sistema cerrado, está relacionada con el hecho de que el tiempo sólo puede avanzar, es decir, con la flecha del tiempo. Además, la relatividad general subraya que el espacio, el tiempo y la gravedad están profundamente entrelazados, es decir, que la gravedad es la curvatura del espacio-tiempo. Lo que no me queda claro es cómo se relacionan estas diferentes perspectivas del tiempo, de ahí la pregunta.

Answer 1

Para nosotros, el tiempo lo definían los relojes naturales de las estaciones y las repeticiones día-noche. Si nos fijamos en el historia del tiempo incluso las unidades eran variables en algunas civilizaciones.

En la época clásica griega y romana se utilizaban doce horas desde la salida hasta la puesta del sol; pero como los días de verano y las noches de invierno son más largos que los días de invierno y las noches de verano, la duración de las horas variaba a lo largo del año.

Las horas no tenían una duración fija hasta que los griegos decidieron que necesitaban un sistema de este tipo para los cálculos teóricos. Hiparco propuso dividir el día en 24 horas iguales, que pasaron a denominarse horas equinocciales. Se basan en 12 horas de luz diurna y 12 horas de oscuridad en los días de los Equinoccios. Sin embargo, la gente común siguió utilizando durante mucho tiempo horas que variaban según las estaciones. Sólo con la llegada de los relojes mecánicos a Europa en el siglo XIV, se aceptó el sistema que utilizamos hoy en día.

Estas unidades se utilizaban localmente en Oriente Próximo hasta principios del siglo pasado, donde la noche y el día se dividían por doce entre la puesta y la salida del sol. Todavía se utilizan con fines religiosos.

Hay una historia de relojes mecánicos, y luego vino la revolución atómica y mecánica cuántica y el relojes atómicos que puede definir la unidad de tiempo dentro de cualquier sistema que tenga ese átomo.

Paralelamente, la física definió la flecha del tiempo termodinámicamente, por el cambio de entropía , y esa es la flecha del tiempo que utilizamos en el eje del tiempo para definir un $+$ y a $-$ .

Trasladamos esta flecha del tiempo a la relatividad especial, y disponemos de un enorme número de datos para saber que funciona sin contradicciones matemáticas, y a la relatividad general. Somos criaturas dominadas por la termodinámica clásica. En la ciencia ficción se pueden encontrar otros marcos de referencia, pero ese es el hecho, que nuestra base de "coordenadas" está en dimensiones clásicas.

Pregunta tú:

Lo que no me queda claro es cómo se relacionan estas diferentes perspectivas del tiempo, de ahí la pregunta

Incluso para los $(x,y,z)$ Las coordenadas de la relatividad especial y general introducen distorsiones con respecto a los diferentes marcos cinemáticos, pero no cambian el significado de $+$ y $-$ para una transformación relativista. Es sólo que nuestra existencia funciona de una manera por las leyes termodinámicas que el $-$ del tiempo es inaccesible y hay que definir una flecha para la historia del universo.

No hay perspectivas diferentes, sino puntos de vista ampliados que mantienen la misma definición para el flecha del tiempo de la mecánica clásica a la relativista, donde las coordenadas adquieren comportamientos diferentes, pero la flecha del tiempo está fijada por el hecho de nuestra existencia física en el reino clásico.

Answer 2

En termodinámica, la forma de ver el tiempo está relacionada de alguna manera con la entropía. La segunda ley de la termodinámica establece que la entropía de un sistema aislado nunca disminuye.

Estos sistemas evolucionan espontáneamente hacia el equilibrio térmico. Esto dará una flecha del tiempo desde el punto de vista de la termodinámica.

Para nosotros, es natural que los macroobjetos evolucionen químicamente como lo hacen, porque estamos acostumbrados a ello. Pero la realidad es que esta segunda ley de la termodinámica es la que dicta la evolución de los macrosistemas que observamos en nuestra vida. Las reacciones químicas en un macrosistema obedecen a la segunda ley de la termodinámica, por lo que tendemos a acostumbrarnos a que estos macrosistemas evolucionen químicamente de la forma en que lo hacen. Esta ley termodinámica y química dará una flecha al tiempo en nuestras vidas. Estamos acostumbrados a ello, porque así es como evoluciona todo lo que vemos en el macromundo.

Ahora la RG te explicará que si colocas dos relojes en dos zonas gravitatorias diferentes, ellos (como el potencial gravitatorio será diferente en la posición de los dos relojes), los relojes marcarán diferente cuando se vean desde lejos.

Si miras tu propio reloj localmente, siempre funcionará con normalidad. Cuando comparas tu reloj con otro que está en otro campo gravitatorio (que tiene un potencial gravitatorio diferente), verás que los relojes funcionan a ritmos diferentes. Una muy buena forma de aprender esto es el retardo de Shapiro.

Ahora se pregunta cómo se relacionan estas diferentes formas de ver el tiempo. Básicamente estás preguntando si hay casualidad entre la dilatación del tiempo GR y las leyes de la termodinámica.

Pongamos un ejemplo muy extraño.

1. Supongamos que la dilatación temporal de la RG provoca las leyes de la termodinámica.

Esto significaría que el potencial gravitatorio, y la diferencia entre el potencial gravitatorio (entre diferentes lugares en el espacio) causa las leyes de la termodinámica. Supongamos que la Tierra es un sistema aislado y que avanza hacia el equilibrio térmico. ¿Esta segunda ley de la termodinámica es causada por la dilatación del tiempo GR? ¿Está causada por el hecho de que el potencial gravitatorio dictará lo rápido que fluirá el tiempo en la Tierra (en comparación con otro lugar del espacio donde el potencial gravitatorio sea diferente)? No, no es así.

Las leyes de la termodinámica se basan en procesos QM. No hay forma de decir que la entropía está causada por la dilatación temporal de la RG.

2. Ahora intentemos lo contrario, digamos que la dilatación del tiempo GR es causada por las leyes de la termodinámica.

Esto significaría que hay una forma en que podemos probar que, las leyes de la termodinámica, que se basa en los procesos de QM, causan la dilatación del tiempo GR. Así que básicamente los procesos QM causan que el potencial gravitacional, y la diferencia entre el potencial gravitacional causen que el tiempo fluya a diferentes velocidades en diferentes puntos del espacio (donde el potencial gravitacional es diferente). Para probar esto, necesitaríamos probar que el potencial gravitacional está determinado por procesos QM. Esto sería la gravedad cuántica. A día de hoy, no tenemos ninguna teoría del todo (TOE) aceptada, que incluya la RG y la QM, y que pueda explicar ambas en el nivel QM. Hay teorías como la teoría de cuerdas, que podrían ser así, pero necesitan ser probadas y demostradas experimentalmente.

Para responder a tu pregunta, decir (o incluso pensar) que el potencial gravitatorio (y los efectos gravitatorios) está causado por los mismos procesos QM que causan las leyes de la termodinámica, necesitaríamos en primer lugar una descripción a nivel QM de la RG, y un TOE.