Preguntale a Ethan: Como estaba la Entropía en el Universo en el Big Bang?
Comenzó con un estallido
el Universo está ahí, esperando a que lo descubras
Mirando al pasado hacía una variedad de distancias que corresponden a las diferentes épocas desde el Big Banh. La Entropía se ha estado incrementando siempre. Crédito de la imagen: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)
Original de Ethan Siegel, para Forbes Abril 15, 2017
Las opiniones expresadas por el autor son solo de él.
La segunda ley de la termodinámica es una de esas leyes desconcertantes de la naturaleza que simplemente surge de las reglas fundamentales. Esta dice que la entropía, una medida del desorden en el Universo, debe siempre incrementarse en cualquier sistema cerrado. Pero como es posible que nuestro Universo, el cual luce organizado y ordenado con sistemas solares y galaxias y una estructura cósmica intrincada, esta de alguna forma en un estado de entropía más alto que justo luego del Big Bang? Esto es lo que nuestro mecenas Patrick Dennis quiere saber:
El entendimiento común de la entropía y del tiempo implica que niveles muy bajos de entropía debieron existir justo después del Big Bang. Aun así este momento es descrito como una “sopa” de partículas, fotones, quarks y electrones, algo que, en comparación con los ejemplos de los libros textos de hoy, nos parece un alto grado de entropía… Como este estado primigenio tenía una baja entropía?
La flecha termodinámica del tiempo implica que la entropía siempre va en aumento, de modo que es más grande hoy que lo que fue en el pasado.
El Universo primitivo estaba lleno de materia y radiación y estaba tan caliente y denso que los quarks y gluones presentes no se formaron en protones y neutrones individuales, sino que permanecieron en un plasma de quark-gluón. Crédito de l aimagen: RHIC collaboration, Brookhaven
y aun así, si pensamos en el Universo muy primitivo, es seguro que lucirá como si tuviera un alto estado de entropía! Imagínelo: un mar de partículas, incluyendo materia, antímateria, gluones, neutrinos y fotones, todos moviendose energéticamente por todas partes con energías millones de veces mayores que las que se pueden obtener en el LHC (Gran Colisionador de Hadrones) hoy día. Donde todos ellos (quizás unos 10^90 en total) todos estaban confinados en un volumen tan pequeño como un balón de fútbol. Justo en el instante del Big Bang, esta pequeña región con estas partículas tremendamente enérgicas crecería en nuestro Universo observable durante los próximos 13.800 millones de años.
Nuestro Universo, desde el momento del Big Bang caliente hasta el día de hoy, ha sufrido una enorme cantidad de crecimiento y evolución, y continúa padeciéndolo. Crédito de la imagen: NASA / CXC / M.Weis
Esta bastante claro, que el Universo de hoy es mucho más frío, más grande, más lleno de estructuras y no es uniforme. Pero sí podemos cuantificar realmente la entropía del Universo en ambas ocasiones, en el momento del Big Bang y hoy día, en términos de la constante de Boltzmann, kB. En el momento del Big Bang, casi toda la entropía se debía a la radiación, y la entropía total del Universo era S = 10^88 kB. Por otro lado, si calculamos la entropía del Universo de hoy, se trata de un mil billones(10^15) de veces más grande: S = 10^103kB. Mientras que ambos números parecen grandes, el número anterior es definitivamente la entropía baja en comparación con el último: ¡es sólo 0.0000000000001% al compararse!
El Universo, tal como lo vemos hoy en día, es mucho más denso y pesado, más agrupado, y la generación de la luz de las estrellas de lo que era el Universo temprano. Entonces, ¿por qué la entropía es tan diferente? Crédito de la imagen: ESA, NASA, K. Sharon (Tel Aviv University) and E. Ofek (Caltech)
Hay una cosa importante a tener en cuenta cuando hablamos de estos números, sin embargo. Cuando escuchamos términos tales como "es una medida del desorden", se trata de una descripción muy, muy pobre de lo que realmente es la entropía. Imagina, en cambio, que tienes el sistema que tu prefieras: materia, radiación, lo que sea. Presumiblemente, habrá algo de energía codificada allí mismo, ya sea cinética, potencial, energía de campo o de cualquier otro tipo. Lo que la entropía realmente mide es el número de arreglos posibles del estado de su sistema.
Un sistema establecido en las condiciones iniciales a la izquierda y dejar evolucionar se convertirá en el sistema de la derecha espontáneamente, ganando entropía en el proceso. Crédito de la imagen: Wikimedia Commons users Htkym and Dhollm
Si su sistema tiene, digamos, una parte fría y una parte caliente, puede arreglarlo de muchas menos maneras que si todo es la misma temperatura. El sistema, arriba, de la izquierda, es un sistema de entropía inferior al de la derecha. Los fotones en el fondo cósmico de microondas tienen prácticamente la misma entropía hoy que cuando el Universo nació. Es por eso que la gente dice que el Universo se expande adiabáticamente, lo que significa que lo hace con una entropía constante. Si bien podemos mirar a las galaxias, estrellas, planetas, etc., y maravillarnos de lo ordenado o desordenado que parecen ser, su entropía es insignificante. Entonces, ¿qué fue lo que causó esa tremenda entropía?
Los agujeros negros son algo con lo que el Universo no nació, pero ellos se formaron y han crecido para adquirir con el tiempo la mayor entropía. Ahora dominan la entropía del Universo. Crédito de la imagen: Ute Kraus, Physics education group Kraus, Universität Hildesheim; Axel Mellinger
La respuesta es los agujeros negros. Si piensas en todas las partículas que entran a constituir un agujero negro, es un número tremendo. Una vez que caes en un agujero negro, inevitablemente llegas a una singularidad. Y el número de estados es directamente proporcional a las masas de las partículas dentro del agujero negro, por lo que más agujeros negro se forma (o más masiva de sus agujeros negros se vuelve), la mayor parte de la entropía que obtiene el Universo. El agujero negro supermasivo de la Vía Láctea, por sí mismo, tiene una entropía que es S = 10^91 kB, aproximadamente un factor de 1,000 veces más que todo el Universo en el momento del Big Bang. Dado el número de galaxias y las masas de los agujeros negros en general, la entropía total hoy en día ha alcanzado un valor de S = 10^103 kB.
Una imagen compuesta de rayos X / infrarrojos del agujero negro en el centro de nuestra galaxia: Sagitario A *. Tiene una masa de alrededor de cuatro millones de soles ... y una entropía alrededor de 1000 veces la de todo el Universo durante el Big Bang. Crédito de la imagen: X-ray: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI
Y esto sólo va a ponerse peor! En un futuro lejano, más y más agujeros negros se formarán, y los grandes agujeros negros que existen hoy continuarán creciendo durante los próximos 10^20 años. Si tuvieras que convertir todo el Universo en un solo agujero negro, alcanzaríamos una entropía máxima de aproximadamente S = 10^123 kB, o un factor de 10^20 (100 trillones) mayor que la entropía de hoy. Cuando estos agujeros negros se descomponen en escalas de tiempo aún mayores -hasta alrededor de 10^100 años- esa entropía se mantendrá casi constante, ya que la radiación de cuerpo negro (Hawking) producida por los agujeros negros en descomposición tendrá el mismo número de arreglos estatales posibles que los anteriores -existente en el agujero negro mismo.
Durante períodos de tiempo lo suficientemente largos, los agujeros negros se contraen y se evaporan gracias a la radiación Hawking. Ahí es donde ocurre la pérdida de información, ya que la radiación ya no contiene la información que fue una vez codificada en el horizonte de eventos. Crédito de la imagen: Illustration by NASA
Entonces, ¿por qué el Universo primitivo tenía una entropía tan baja? Porque no tenía agujeros negros. Una entropía de S = 10^88 kB es todavía un valor tremendamente grande, pero es la entropía de todo el Universo, que está casi exclusivamente codificada en la radiación sobrante (y, en menor medida, en neutrinos) del Big Bang. Debido a que la "materia" que vemos cuando miramos al Universo como estrellas, galaxias, etc., tiene una entropía despreciable comparada con ese fondo sobrante, es fácil engañarnos pensando que la entropía cambia significativamente a medida que la estructura se forma, pero eso es meramente una coincidencia, no la causa.
Como mínimo, se necesitaron decenas de millones de años para que el Universo formara su primera estrella, y su primer agujero negro. Hasta que eso ocurrió, la entropía del Universo, con más de un 99% de precisión, permaneció sin cambios. Crédito de la imagen: NASA/CXC/CfA/R. Kraft et al.
¡Si no hubiera cosas tales como agujeros negros, la entropía del Universo habría sido casi constante durante los últimos 13.8 mil millones de años! Ese estado primario tenía realmente una cantidad considerable de entropía; Es sólo que los agujeros negros tienen mucho más, y son tan fáciles de hacer desde una perspectiva cósmica.
Envía tu pregunta a Preguntale a Ethan a tartswithabang ([email protected]) at gmail dot com
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Ante la petición del público he usado la ayuda de Google traductor... ahora tengo menos culpa!
Comenzó con un estallido
el Universo está ahí, esperando a que lo descubras
Mirando al pasado hacía una variedad de distancias que corresponden a las diferentes épocas desde el Big Banh. La Entropía se ha estado incrementando siempre. Crédito de la imagen: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)
Original de Ethan Siegel, para Forbes Abril 15, 2017
Las opiniones expresadas por el autor son solo de él.
La segunda ley de la termodinámica es una de esas leyes desconcertantes de la naturaleza que simplemente surge de las reglas fundamentales. Esta dice que la entropía, una medida del desorden en el Universo, debe siempre incrementarse en cualquier sistema cerrado. Pero como es posible que nuestro Universo, el cual luce organizado y ordenado con sistemas solares y galaxias y una estructura cósmica intrincada, esta de alguna forma en un estado de entropía más alto que justo luego del Big Bang? Esto es lo que nuestro mecenas Patrick Dennis quiere saber:
El entendimiento común de la entropía y del tiempo implica que niveles muy bajos de entropía debieron existir justo después del Big Bang. Aun así este momento es descrito como una “sopa” de partículas, fotones, quarks y electrones, algo que, en comparación con los ejemplos de los libros textos de hoy, nos parece un alto grado de entropía… Como este estado primigenio tenía una baja entropía?
La flecha termodinámica del tiempo implica que la entropía siempre va en aumento, de modo que es más grande hoy que lo que fue en el pasado.
El Universo primitivo estaba lleno de materia y radiación y estaba tan caliente y denso que los quarks y gluones presentes no se formaron en protones y neutrones individuales, sino que permanecieron en un plasma de quark-gluón. Crédito de l aimagen: RHIC collaboration, Brookhaven
y aun así, si pensamos en el Universo muy primitivo, es seguro que lucirá como si tuviera un alto estado de entropía! Imagínelo: un mar de partículas, incluyendo materia, antímateria, gluones, neutrinos y fotones, todos moviendose energéticamente por todas partes con energías millones de veces mayores que las que se pueden obtener en el LHC (Gran Colisionador de Hadrones) hoy día. Donde todos ellos (quizás unos 10^90 en total) todos estaban confinados en un volumen tan pequeño como un balón de fútbol. Justo en el instante del Big Bang, esta pequeña región con estas partículas tremendamente enérgicas crecería en nuestro Universo observable durante los próximos 13.800 millones de años.
Nuestro Universo, desde el momento del Big Bang caliente hasta el día de hoy, ha sufrido una enorme cantidad de crecimiento y evolución, y continúa padeciéndolo. Crédito de la imagen: NASA / CXC / M.Weis
Esta bastante claro, que el Universo de hoy es mucho más frío, más grande, más lleno de estructuras y no es uniforme. Pero sí podemos cuantificar realmente la entropía del Universo en ambas ocasiones, en el momento del Big Bang y hoy día, en términos de la constante de Boltzmann, kB. En el momento del Big Bang, casi toda la entropía se debía a la radiación, y la entropía total del Universo era S = 10^88 kB. Por otro lado, si calculamos la entropía del Universo de hoy, se trata de un mil billones(10^15) de veces más grande: S = 10^103kB. Mientras que ambos números parecen grandes, el número anterior es definitivamente la entropía baja en comparación con el último: ¡es sólo 0.0000000000001% al compararse!
El Universo, tal como lo vemos hoy en día, es mucho más denso y pesado, más agrupado, y la generación de la luz de las estrellas de lo que era el Universo temprano. Entonces, ¿por qué la entropía es tan diferente? Crédito de la imagen: ESA, NASA, K. Sharon (Tel Aviv University) and E. Ofek (Caltech)
Hay una cosa importante a tener en cuenta cuando hablamos de estos números, sin embargo. Cuando escuchamos términos tales como "es una medida del desorden", se trata de una descripción muy, muy pobre de lo que realmente es la entropía. Imagina, en cambio, que tienes el sistema que tu prefieras: materia, radiación, lo que sea. Presumiblemente, habrá algo de energía codificada allí mismo, ya sea cinética, potencial, energía de campo o de cualquier otro tipo. Lo que la entropía realmente mide es el número de arreglos posibles del estado de su sistema.
Un sistema establecido en las condiciones iniciales a la izquierda y dejar evolucionar se convertirá en el sistema de la derecha espontáneamente, ganando entropía en el proceso. Crédito de la imagen: Wikimedia Commons users Htkym and Dhollm
Si su sistema tiene, digamos, una parte fría y una parte caliente, puede arreglarlo de muchas menos maneras que si todo es la misma temperatura. El sistema, arriba, de la izquierda, es un sistema de entropía inferior al de la derecha. Los fotones en el fondo cósmico de microondas tienen prácticamente la misma entropía hoy que cuando el Universo nació. Es por eso que la gente dice que el Universo se expande adiabáticamente, lo que significa que lo hace con una entropía constante. Si bien podemos mirar a las galaxias, estrellas, planetas, etc., y maravillarnos de lo ordenado o desordenado que parecen ser, su entropía es insignificante. Entonces, ¿qué fue lo que causó esa tremenda entropía?
Los agujeros negros son algo con lo que el Universo no nació, pero ellos se formaron y han crecido para adquirir con el tiempo la mayor entropía. Ahora dominan la entropía del Universo. Crédito de la imagen: Ute Kraus, Physics education group Kraus, Universität Hildesheim; Axel Mellinger
La respuesta es los agujeros negros. Si piensas en todas las partículas que entran a constituir un agujero negro, es un número tremendo. Una vez que caes en un agujero negro, inevitablemente llegas a una singularidad. Y el número de estados es directamente proporcional a las masas de las partículas dentro del agujero negro, por lo que más agujeros negro se forma (o más masiva de sus agujeros negros se vuelve), la mayor parte de la entropía que obtiene el Universo. El agujero negro supermasivo de la Vía Láctea, por sí mismo, tiene una entropía que es S = 10^91 kB, aproximadamente un factor de 1,000 veces más que todo el Universo en el momento del Big Bang. Dado el número de galaxias y las masas de los agujeros negros en general, la entropía total hoy en día ha alcanzado un valor de S = 10^103 kB.
Una imagen compuesta de rayos X / infrarrojos del agujero negro en el centro de nuestra galaxia: Sagitario A *. Tiene una masa de alrededor de cuatro millones de soles ... y una entropía alrededor de 1000 veces la de todo el Universo durante el Big Bang. Crédito de la imagen: X-ray: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI
Y esto sólo va a ponerse peor! En un futuro lejano, más y más agujeros negros se formarán, y los grandes agujeros negros que existen hoy continuarán creciendo durante los próximos 10^20 años. Si tuvieras que convertir todo el Universo en un solo agujero negro, alcanzaríamos una entropía máxima de aproximadamente S = 10^123 kB, o un factor de 10^20 (100 trillones) mayor que la entropía de hoy. Cuando estos agujeros negros se descomponen en escalas de tiempo aún mayores -hasta alrededor de 10^100 años- esa entropía se mantendrá casi constante, ya que la radiación de cuerpo negro (Hawking) producida por los agujeros negros en descomposición tendrá el mismo número de arreglos estatales posibles que los anteriores -existente en el agujero negro mismo.
Durante períodos de tiempo lo suficientemente largos, los agujeros negros se contraen y se evaporan gracias a la radiación Hawking. Ahí es donde ocurre la pérdida de información, ya que la radiación ya no contiene la información que fue una vez codificada en el horizonte de eventos. Crédito de la imagen: Illustration by NASA
Entonces, ¿por qué el Universo primitivo tenía una entropía tan baja? Porque no tenía agujeros negros. Una entropía de S = 10^88 kB es todavía un valor tremendamente grande, pero es la entropía de todo el Universo, que está casi exclusivamente codificada en la radiación sobrante (y, en menor medida, en neutrinos) del Big Bang. Debido a que la "materia" que vemos cuando miramos al Universo como estrellas, galaxias, etc., tiene una entropía despreciable comparada con ese fondo sobrante, es fácil engañarnos pensando que la entropía cambia significativamente a medida que la estructura se forma, pero eso es meramente una coincidencia, no la causa.
Como mínimo, se necesitaron decenas de millones de años para que el Universo formara su primera estrella, y su primer agujero negro. Hasta que eso ocurrió, la entropía del Universo, con más de un 99% de precisión, permaneció sin cambios. Crédito de la imagen: NASA/CXC/CfA/R. Kraft et al.
¡Si no hubiera cosas tales como agujeros negros, la entropía del Universo habría sido casi constante durante los últimos 13.8 mil millones de años! Ese estado primario tenía realmente una cantidad considerable de entropía; Es sólo que los agujeros negros tienen mucho más, y son tan fáciles de hacer desde una perspectiva cósmica.
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