¿Cómo puede ser que el universo del principio tuviera una temperatura alta y una entropía baja al mismo tiempo?

Question

La teoría del Big Bang supone que nuestro universo partió de un estado muy/infinitamente denso y extremadamente/infinitamente caliente. Pero, por otro lado, se suele afirmar que nuestro universo debió comenzar en un estado con una entropía muy baja o incluso nula.

Ahora bien, la tercera ley de la termodinámica establece que si la entropía de un sistema se aproxima al mínimo, su temperatura se aproxima al cero absoluto.

Entonces, ¿cómo puede ser que el universo del principio tuviera una temperatura alta y una entropía baja al mismo tiempo? ¿No estaría tal estado en contradicción con la tercera ley de la termodinámica?

Answer 1

Permítame demostrarle que no hay contradicción señalando, por ejemplo, que para los períodos de expansión ordinarios (es decir, lejos de las transiciones de fase de primer orden, los desacoplamientos...) la entropía total es realmente constante en el tiempo mientras el universo se hace más grande y más frío. O, retrocediendo en el tiempo, el universo se está calentando mientras S se mantiene constante. ¿Cómo es posible esta expansión adiabática? Bueno, el espacio se está expandiendo pero el espacio de los momentos de las partículas también se está desplazando hacia el rojo, y el resultado neto es un volumen de espacio de fase constante. Como S mide este volumen, la entropía resultante se mantiene constante.

Answer 2

La entropía no es la existencia de calor o energía, sino que se describe más exactamente como la dispersión de la energía. Un universo con alto calor y baja densidad de materia tiene una entropía muy baja, del mismo modo que un vaso de agua caliente tiene una baja distribución de energía cuando se compara con una piscina fría. Si tiras el agua caliente a la piscina fría, el calor se extenderá por toda la piscina, como sería de esperar por las leyes de la termodinámica, de forma similar la materia y la energía del big bang se extendieron por todo el universo desde un único punto de baja entropía.

Answer 3

Quizá sea mejor considerar la entropía de un sistema extremadamente denso en términos de información (piense en la entropía de von Neumann). Aunque no sabemos cómo se cuantifica exactamente la materia superdensa y superenergética (necesitaríamos una teoría de la gravedad cuántica para ello), está claro que debe hacerlo. Por tanto, en este estado extremo, las partículas probablemente se han comprimido en los estados cuánticos más bajos disponibles (o más bien todavía están en estos estados). Éstos sólo corresponden a energías medias altas por grado de libertad (y, por tanto, a una temperatura alta) porque muchos de los más bajos están ocupados, de modo que los ocupados una vez tienen una energía alta. Pero desde el punto de vista de la información, podríamos saber (casi) todo con sólo decir que los estados más bajos están todos ocupados. Ese es un estado de (casi) cero entropía.

Answer 4

Pues bien, la entropía de un sistema dado depende del número de microestados disponibles. Esto a su vez depende de la variación de la velocidad de las partículas. A temperaturas muy altas y debido al efecto gravitacional supongo que la probabilidad de que todas las partículas tengan una velocidad común aumenta. De ahí que el número de microestados disponibles sea bastante pequeño. Tal vez por eso se dice que tiene una baja entropía al principio.

Answer 5

La razón fundamental del aumento de la entropía en el universo es el aumento del número de partículas en el universo.

Porque: 1: el número de partículas aumenta, y eso aumenta la entropía 2: No veo una explicación mejor aquí

Puede ocurrir que la entropía aumente sin que aumente el número de partículas, por ejemplo cuando el calor se convoca desde un objeto caliente a un objeto frío, pero hay un objeto frío porque en algún momento se crearon partículas. (el objeto caliente está caliente porque fue envuelto en una lámina de aluminio, mientras que el objeto frío irradió partículas de fotones)