¿Puede la entropía del Universo ser constante?

Question

Si entiendo la entropía correctamente, entonces por ejemplo dos objetos que orbitan un centro de masa tienen una entropía menor que cuando dichos objetos eventualmente chocan entre sí y forman uno nuevo.

Así que digamos que una galaxia típica espirala alrededor de su centro de masa y eventualmente los objetos dentro de ella caerán en el centro aumentando así su entropía.

Pero si la entropía del Universo de alguna manera fuera constante, ¿quizás por eso el espacio se está expandiendo? A medida que cada galaxia se vuelve más caótica mientras los objetos se acercan cada vez más entre sí, estas galaxias al mismo tiempo se están separando más y más gracias a la expansión del espacio.

No conozco los cálculos exactos de la entropía, pero ¿es posible que haya un mecanismo que desencadene la expansión del espacio como reacción a la gravedad que aumenta la entropía local?

Además, la gravedad aumenta en intensidad cuando la distancia entre objetos es más corta, por lo que cuanto más tiempo dos masas estén gravitando, menor será la distancia entre ellas y luego la gravedad se volverá más intensa con el tiempo. Esto podría corresponder entonces a la velocidad creciente de la expansión del Universo, ya que tiene que compensar más rápido para mantener la entropía constante.

Perdóname si lo que dije arriba es completamente incorrecto; he estado pensando en la entropía y se me ocurrió esta idea, pero no soy un físico profesional y me gustaría saber si alguna de las cosas anteriores tiene sentido.

Answer 1

Hasta donde yo sé, la expansión del universo contribuye a crear más y más microestados. Esto es casi equivalente a decir que la entropía aumenta (porque $S = k_B$ln$(\Omega)$). No podemos estar seguros de que la ley de la entropía se aplique a todo el universo (hay debate acerca de si el universo es un sistema cerrado o no, si es infinito o finito, etc.) pero por lo que sabemos, el desorden del universo está aumentando debido a este gran número de microestados que aumentan con el tiempo, lo que lleva a que el desorden del universo aumente.

Answer 2

La entropía es una tendencia natural del Universo a desintegrarse en desorden.

En un proceso reversible, un aumento en la entropía del sistema será exactamente igual a la disminución de la entropía de los alrededores. Por lo tanto, el cambio neto en la entropía del sistema y sus alrededores será cero.

Pero en un proceso irreversible en un sistema aislado (por ejemplo, todos los procesos termodinámicos) la entropía está siempre aumentando. Esto se deriva de la Segunda Ley de la Termodinámica.

Cuando hay una disminución o liberación de energía, la entropía aumenta. Esto significa que la entropía también es una medida de cuánta energía utilizable hay. La entropía de un sistema aislado nunca disminuye, porque los sistemas aislados evolucionan espontáneamente hacia el equilibrio termodinámico, la máxima entropía. El cambio en la entropía se define como $$\Delta S=\int \frac{dQ}{T}$$ donde $T$ es la temperatura termodinámica uniforme del sistema y $dQ$ es la transferencia reversible incremental de calor hacia ese sistema.

El Sol, y cada otra estrella, están radiando calor hacia el universo. Pero no pueden hacerlo para siempre. Eventualmente el calor se habrá dispersado tanto que no habrá objetos más cálidos ni más fríos. Todo estará a la misma temperatura. Mientras todo esto sucede, la entropía del Universo sigue aumentando. Por lo tanto, se especuló que el universo está destinado a una muerte térmica en la que toda la energía termina como una distribución homogénea de energía térmica, de modo que no se puede extraer más trabajo de ninguna fuente. La expansión de la que hablas lleva a que el Universo se enfríe más rápido.

Cuando se alcanza esta muerte térmica, el Universo alcanzará un equilibrio termodinámico y tendrá entropía máxima (que esencialmente será constante).

Answer 3

Sí y No

Parte de Sí

Si consideras todo el Universo como un sistema cerrado, entonces la entropía debe ser constante. Según la mecánica cuántica, la evolución de un sistema cerrado es unitaria. La unitariedad nos obliga a creer que todo el universo se puede pensar como una computadora reversible y grande. Ahora, dado que todo el proceso es reversible, el cambio de entropía debería ser cero. Esto significa que la entropía total del universo puede ser constante.

Parte de No

Si consideras el Universo como un sistema abierto, entonces la no-unitariedad entra en juego. Además, la irreversibilidad aparece como resultado y alimenta el cambio de entropía, por lo que la entropía no necesita ser constante.

Dado que no conocemos la topología general del universo, no podemos decir nada sobre la termodinámica universal. De todos modos, la termodinámica cuántica a nivel global sería el punto clave en ambos casos.

Answer 4

Es común escuchar en cosmología que la entropía del universo es adiabática (constante) en tiempos tardíos. En el modelo estándar de cosmología, $\Lambda CDM$, el universo está dominado en tiempos tardíos por la constante cosmológica que causa la expansión exponencial del universo. Durante esta época, la formación de nuevas estructuras está limitada por la decaída exponencial, por lo que podemos decir que en tiempos tardíos, las estructuras no pueden formarse. A menudo se interpreta esto como que efectivamente no hay interacciones entre materia-materia, radiación-radiación o materia-radiación. Dado que la entropía del universo no puede disminuir y dado que requeriría algún tipo de interacciones para aumentar la entropía, los cosmólogos suelen decir que la entropía es constante en tiempos tardíos.

Ahora bien, si esto es realmente el caso es incierto (es decir, no lo sé con certeza), pero incluso si no es exactamente constante, podemos decir que la entropía del universo no cambiaría significativamente en tiempos tardíos una vez que la constante cosmológica domine la densidad de energía del universo.

Answer 5

Sí, puede ser, si el Universo alcanza el equilibrio.