Morte termica dell'universo - Heat death of the universe

La morte termica dell'universo (nota anche come Big Chill o Big Freeze ) è un'ipotesi sul destino ultimo dell'universo , che suggerisce che l' universo si evolverebbe in uno stato di assenza di energia libera termodinamica e sarebbe quindi incapace di sostenere i processi che aumentano l' entropia . La morte termica non implica alcuna temperatura assoluta particolare ; richiede solo che le differenze di temperatura o altri processi non possano più essere sfruttati per eseguire il lavoro . Nel linguaggio della fisica , questo è quando l'universo raggiunge l' equilibrio termodinamico .

Se la topologia dell'universo è aperta o piatta , o se l' energia oscura è una costante cosmologica positiva (entrambe coerenti con i dati attuali), l'universo continuerà ad espandersi per sempre e si prevede una morte termica, con l'universo raffreddamento per raggiungere l'equilibrio a una temperatura molto bassa dopo un periodo di tempo molto lungo.

L'ipotesi della morte termica deriva dalle idee di Lord Kelvin , che nel 1850 prese la teoria del calore come perdita di energia meccanica in natura (come incarnata nelle prime due leggi della termodinamica ) e la estrapolava a processi più ampi su scala universale.

Origini dell'idea

L'idea della morte termica deriva dalla seconda legge della termodinamica , di cui una versione afferma che l'entropia tende ad aumentare in un sistema isolato . Da ciò, l'ipotesi implica che se l'universo dura per un tempo sufficiente, si avvicinerà asintoticamente a uno stato in cui tutta l' energia è distribuita uniformemente. In altre parole, secondo questa ipotesi, esiste in natura una tendenza alla dissipazione (trasformazione energetica) di energia meccanica (movimento) in energia termica ; quindi, per estrapolazione, esiste l'idea che, nel tempo, il movimento meccanico dell'universo si esaurirà man mano che il lavoro viene convertito in calore a causa della seconda legge.

La congettura che tutti i corpi dell'universo si raffreddino, diventando alla fine troppo freddi per sostenere la vita, sembra essere stata avanzata per la prima volta dall'astronomo francese Jean Sylvain Bailly nel 1777 nei suoi scritti sulla storia dell'astronomia e nella successiva corrispondenza con Voltaire . Secondo Bailly, tutti i pianeti hanno un calore interno e sono ora in una fase particolare di raffreddamento. Giove , ad esempio, è ancora troppo caldo perché la vita possa sorgere lì per migliaia di anni, mentre la Luna è già troppo fredda. Lo stato finale, in questa prospettiva, è descritto come uno di "equilibrio" in cui cessa ogni movimento.

L'idea della morte termica come conseguenza delle leggi della termodinamica, tuttavia, fu proposta per la prima volta in termini generici a partire dal 1851 da Lord Kelvin (William Thomson), che teorizzò ulteriormente le opinioni sulla perdita di energia meccanica di Sadi Carnot (1824), James Joule (1843) e Rudolf Clausius (1850). Le opinioni di Thomson furono poi elaborate nel decennio successivo da Hermann von Helmholtz e William Rankine .

Storia

L'idea della morte termica dell'universo deriva dalla discussione sull'applicazione delle prime due leggi della termodinamica ai processi universali. In particolare, nel 1851, Lord Kelvin ha delineato il punto di vista, come basato su recenti esperimenti sulla teoria dinamica del calore : "il calore non è una sostanza, ma una forma dinamica di effetto meccanico, percepiamo che deve esserci un'equivalenza tra lavoro meccanico e calore, come tra causa ed effetto."

Lord Kelvin ha dato origine all'idea della morte termica universale nel 1852.

Nel 1852, Thomson pubblicò On a Universal Tendency in Nature to the Dissipation of Mechanical Energy , in cui delineava i rudimenti della seconda legge della termodinamica riassunti dalla visione che il movimento meccanico e l'energia utilizzata per creare quel movimento tenderanno naturalmente a dissiparsi o correre giù. Le idee in questo articolo, in relazione alla loro applicazione all'età del Sole e alla dinamica dell'operazione universale, hanno attratto artisti del calibro di William Rankine e Hermann von Helmholtz. Si diceva che i tre avessero scambiato idee su questo argomento. Nel 1862 Thomson pubblicò "On the age of the Sun's heat", un articolo in cui ribadiva le sue convinzioni fondamentali nell'indistruttibilità dell'energia (la prima legge ) e nella dissipazione universale dell'energia (la seconda legge), portando alla diffusione di calore, cessazione del movimento utile ( lavoro ) ed esaurimento dell'energia potenziale attraverso l'universo materiale, mentre chiarisce la sua visione delle conseguenze per l'universo nel suo insieme. Thomson ha scritto:

Il risultato sarebbe inevitabilmente uno stato di quiete e morte universale, se l'universo fosse finito e lasciato obbedire alle leggi esistenti. Ma è impossibile concepire un limite all'estensione della materia nell'universo; e quindi la scienza indica piuttosto un progresso infinito, attraverso uno spazio infinito, di azione che implica la trasformazione dell'energia potenziale in movimento palpabile e quindi in calore , piuttosto che un singolo meccanismo finito, che scorre come un orologio e si ferma per sempre.

Negli anni a seguire sia i documenti di Thomson del 1852 che quelli del 1862, Helmholtz e Rankine attribuirono entrambi a Thomson l'idea, ma continuarono a leggere nei suoi documenti pubblicando opinioni che affermavano che Thomson sosteneva che l'universo finirà in una " morte termica " (Helmholtz) che sarà la " fine di tutti i fenomeni fisici " (Rankine).

Stato attuale

Le proposte sullo stato finale dell'universo dipendono dalle ipotesi fatte sul suo destino finale, e queste ipotesi sono variate considerevolmente tra la fine del XX secolo e l'inizio del XXI secolo. In un ipotetico universo "aperto" o "piatto" che continua ad espandersi indefinitamente, si prevede che alla fine si verificherà una morte per calore o un Big Rip . Se la costante cosmologica è zero, l'universo si avvicinerà alla temperatura dello zero assoluto su una scala temporale molto lunga. Tuttavia, se la costante cosmologica è positiva , come sembra essere il caso in recenti osservazioni ( Premio Nobel 2011 ), la temperatura asintoterà a un valore positivo diverso da zero e l'universo si avvicinerà a uno stato di massima entropia in cui non sarà più il lavoro è possibile.

Lasso di tempo per la morte per calore

Dal Big Bang fino ai giorni nostri, si pensa che la materia e la materia oscura nell'universo siano state concentrate in stelle , galassie e ammassi di galassie e si presume che continueranno a farlo anche in futuro. Pertanto, l'universo non è in equilibrio termodinamico e gli oggetti possono svolgere un lavoro fisico. ^:§VID Il tempo di decadimento per un buco nero supermassiccio di circa 1 massa di galassia (10 ¹¹ masse solari ) dovuto alla radiazione di Hawking è dell'ordine di 10 ¹⁰⁰ anni, quindi l'entropia può essere prodotta almeno fino a quel momento. Alcune grandi buchi neri nell'universo si prevede che continuerà a crescere fino a forse 10 ¹⁴ M _☉ durante il crollo di superammassi di galassie. Anche questi evaporerebbe in un lasso di tempo fino a 10 ¹⁰⁶ anni. Dopo tale periodo, l'universo entra nella cosiddetta Era Oscura e dovrebbe consistere principalmente di un gas diluito di fotoni e leptoni . ^:§VIA Con solo materia molto diffusa rimasta, l'attività nell'universo si sarà drasticamente ridotta, con livelli di energia estremamente bassi e scale temporali estremamente lunghe. Speculativamente, è possibile che l'universo possa entrare in una seconda epoca inflazionistica , o supponendo che l'attuale stato di vuoto sia un falso vuoto , il vuoto potrebbe decadere in uno stato di energia inferiore . ^:§VE È anche possibile che la produzione di entropia cesserà e l'universo raggiungerà la morte termica. ^:§VID Un altro universo potrebbe essere creato da fluttuazioni quantistiche casuali o tunnel quantistici in circa anni. Si suggerisce che, per lunghi periodi di tempo, alla fine si verificherebbe una diminuzione spontanea dell'entropia tramite il teorema di ricorrenza di Poincaré , le fluttuazioni termiche e il teorema di fluttuazione . Tale scenario, tuttavia, è stato descritto come "altamente speculativo, probabilmente sbagliato, [e] completamente non verificabile". Sean M. Carroll , originariamente un sostenitore di questa idea, non la sostiene più. $10^{10^{10^{56}}}$

Viste opposte

Max Planck ha scritto che la frase "entropia dell'universo" non ha significato perché non ammette una definizione accurata. Più recentemente, Walter Grandy scrive: "È piuttosto presuntuoso parlare dell'entropia di un universo di cui si capisce ancora così poco, e ci chiediamo come si possa definire l'entropia termodinamica per un universo e i suoi principali costituenti che non sono mai stati in equilibrio in tutta la loro esistenza». Secondo Tisza : "Se un sistema isolato non è in equilibrio, non possiamo associargli un'entropia". Buchdahl scrive di "l'assunto del tutto ingiustificabile che l'universo possa essere trattato come un sistema termodinamico chiuso". Secondo Gallavotti : "...non esiste una nozione universalmente accettata di entropia per sistemi fuori equilibrio, anche quando in uno stato stazionario". Discutendo la questione dell'entropia per gli stati di non equilibrio in generale, Lieb e Yngvason esprimono la loro opinione come segue: "Nonostante il fatto che la maggior parte dei fisici creda in una tale entropia di non equilibrio, si è finora dimostrato impossibile definirla in modo chiaramente soddisfacente ." Secondo Landsberg: "Il terzo equivoco è che la termodinamica, e in particolare il concetto di entropia, possa essere applicata all'intero universo senza ulteriori indagini... Queste domande hanno un certo fascino, ma le risposte sono speculazioni e mentono oltre lo scopo di questo libro."

Un'analisi dell'entropia del 2010 afferma: "L'entropia di un campo gravitazionale generale non è ancora nota" e "l'entropia gravitazionale è difficile da quantificare". L'analisi prende in considerazione diverse possibili ipotesi che sarebbero necessarie per le stime e suggerisce che l' universo osservabile ha più entropia di quanto si pensasse in precedenza. Questo perché l'analisi conclude che i buchi neri supermassicci sono il maggior contributore. Lee Smolin va oltre: "È noto da tempo che la gravità è importante per mantenere l'universo fuori dall'equilibrio termico. I sistemi legati alla gravità hanno un calore specifico negativo, ovvero le velocità dei loro componenti aumentano quando l'energia viene rimossa. ... Tale un sistema non evolve verso uno stato di equilibrio omogeneo, ma diventa sempre più strutturato ed eterogeneo man mano che si frammenta in sottosistemi." Questo punto di vista è supportato anche dal fatto di una recente scoperta sperimentale di uno stato stazionario stabile di non equilibrio in un sistema chiuso relativamente semplice. Ci si dovrebbe aspettare che un sistema isolato frammentato in sottosistemi non arrivi necessariamente all'equilibrio termodinamico e rimanga in uno stato stazionario di non equilibrio. L'entropia sarà trasmessa da un sottosistema all'altro, ma la sua produzione sarà nulla, il che non contraddice la seconda legge della termodinamica .

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