MULTIVERSO II / TIEMPO Y ENTROPÍA


MULTIVERSO II / TIEMPO Y ENTROPÍA

El tiempo es la sustancia de la que estoy hecho.
El tiempo es un río que me arrebata, pero yo soy el río;
es un tigre que me destroza, pero yo soy el tigre;
es un fuego que me consume, pero yo soy el fuego.
El mundo, desgraciadamente es real; yo desgraciadamente soy Borges.
Jorge Luis Borges

De Scientifi American /mayo 2008 / parte I

El universo no tiene buen aspecto

El rompecabezas de la entropía

El desorden del vacío

El universo no tiene buen aspecto

El universo no tiene buen aspecto. Puede parecer una cosa extraña decir esto, habida cuenta de que los cosmólogos tienen muy poco nivel de comparación. ¿Cómo sabemos cual es el aspecto que se supone debe tener? Sin embargo, a lo largo de los años hemos desarrollado una gran intuición para lo que cuenta como “natural”-y el universo que vemos no califica.

No nos equivoquemos: los cosmólogos han elaborado con increíble éxito el cuadro de lo que el universo está hecho de y cómo ha evolucionado. Unos 14 mil millones de años atrás el cosmos fue más caliente y más denso que el interior de una estrella, y desde entonces ha ido enfriándose y adelgazándose en la medida que el tejido del espacio se expande. Este cuadro se presenta en cada observación que hemos hecho, pero una serie de características inusuales, sobre todo en el universo temprano, sugiere que hay más historia que aquella que nosotros entendemos.

Entre los antinaturales aspectos del universo, se destaca uno: la asimetría del tiempo. El estudio microscópico leyes de la física que subyacen en el comportamiento del universo no distinguen entre el pasado y el futuro, sin embargo, el universo temprano-caliente, denso y homogéneo-es completamente diferente al de hoy- frío, diluido, desigual. El universo que empezó ordenado ha sido cada vez más desordenado desde entonces. La asimetría de tiempo, la flecha que apunta desde el pasado al futuro, desempeña un papel inequívoco en nuestra vida cotidiana: da cuenta de por qué no podemos convertir una tortilla en un huevo, ¿por qué nunca cubitos de hielo nacen espontáneamente de un espejo de agua, y por qué recordamos el pasado pero no el futuro. Y el origen de la asimetría que experimentamos puede ser rastreado durante todo el camino de vuelta al origen del universo, cerca del big bang. Cada vez que Ud. rompe un huevo, está haciendo cosmología observacional.

La flecha del tiempo es posiblemente la más flagrante característica del universo en la que los cosmólogos se encuentran actualmente en una absoluta imposibilidad de explicar. Cada vez más, sin embargo, este puzzle sobre el universo que observamos da indicios de la existencia de un espacio mucho más grande que no se observa. Añade apoyo a la idea de que somos parte de un multiverso cuya dinámica ayuda a explicar la aparentemente característica antinatural de nuestra vecindad local.

El rompecabezas de la entropía

Los físicos encapsulan el concepto de asimetría en el tiempo en la famosa segunda ley de la termodinámica: la entropía en un sistema cerrado nunca disminuye. A grandes rasgos, la entropía es una medida del desorden de un sistema. En el siglo 19, el físico austriaco Ludwig Boltzmann explicó la entropía en términos de la distinción entre el micro estado de un objeto y su macro estado. Si a Ud. se le pidiera describir una taza de café, lo más probable es que se referiría a su macro estado – de su temperatura, presión y otras características generales. El micro estado, por otro lado, especifica la posición exacta y la velocidad de cada átomo en el líquido. Son muchos y muy distintos los micro estados que corresponden a un particular macro estado: podríamos mover un átomo aquí y allá, y nadie que mira a escala macroscópica lo notaría.

La entropía es el número de diferentes micro estados que corresponden a un mismo macro estado. (Técnicamente, es el número de dígitos, o logaritmo, de ese número.) Por lo tanto, hay más maneras de organizar un número determinado de átomos en una alta entropía que en la configuración de baja entropía. Imagínese que usted vierta la leche en su café. Hay una gran cantidad de formas de distribuir las moléculas de modo que la leche y el café esten completamente mezclados entre sí, pero relativamente pocas maneras de organizar de forma que la leche se separe de las cercanías de café. Así que la mezcla tiene una mayor entropía.

Desde este punto de vista, no es de extrañar que la entropía tienda a aumentar con el tiempo. Los estados de alta entropía superan grandemente en número a los de baja entropía; casi cualquier al sistema aterrizará en un estado de mayor entropía, simplemente por la sorteo en el azar. Esa es la razón por la leche se mezcla con el café, pero nunca des-mezcla. A pesar de que es físicamente posible que todas las moléculas de leche conspiren espontáneamente para organizarse ellas mismos unas juntas a otras, es estadísticamente muy improbable. Si usted espera que suceda, que por si mismas, de común acuerdo entre las moléculas que remodeló el azar, por lo general tendrá que esperar mucho más tiempo que la actual edad del universo observable. La flecha del tiempo es simplemente la tendencia de los sistemas a evolucionar hacia uno de los numerosos, naturales, estados de alta entropía.

Pero explicar por qué los estados de baja entropía evolucionan en estados de alta entropía es diferente de explicar por qué la entropía está aumentando en nuestro universo. La pregunta sigue siendo: ¿Por qué se empezó con entropía baja? Parece muy poco natural, habida cuenta de que los estados de baja entropía son tan raros. Incluso la concesión de que nuestro universo tiene hoy una entropía media, no explica por qué la entropía era aún menor. De todas las posibles condiciones iniciales que podrían haber evolucionado hasta convertirse en un universo como el nuestro, la inmensa mayoría tienen mucho mayor entropía, no inferior [véase “La flecha del tiempo”, de David Layzer; Scientific American, diciembre de 1975].

woodside.blogs.com

En otras palabras, el verdadero reto no consiste en explicar por qué la entropía del universo será mayor que mañana es hoy, sino explicar por qué la entropía era menor el día de ayer y aún más baja el día antes. Podemos rastrear esta lógica durante todo el camino de vuelta al principio de los tiempos en nuestro universo observable. En última instancia, la asimetría del tiempo es una pregunta a ser respondida por la cosmología.

El Desorden del Vacío

El universo temprano era un lugar notable. Todas las partículas que componen el universo que observamos actualmente estaban apretadas en un extraordinariamente caliente y denso volumen. Lo que es más importante, estaban distribuídas casi de manera uniforme en toda ese pequeño volumen. En promedio, la densidad diferió de un lugar a otro por sólo una parte en 100.000. Poco a poco, en la medida que el universo se ha expandido y enfriado, la fuerza de la gravedad ha realzado esas diferencias. Las regiones con un poco más de partículas formaron estrellas y galaxias, y las regiones con un ligeramente menor número de partículas se vaciaron para formar los huecos.

Evidentemente, la gravedad ha sido crucial para la evolución del universo. Lamentablemente, todavía no comprendemos plenamente la entropía cuando la gravedad está involucrada. Gravedad surge de la forma del espacio-tiempo, pero no tenemos una teoría comprensiva del espacio-tiempo, que es el objetivo de una teoría cuántica de la gravedad. Mientras que podemos relacionar la entropía de un fluido con el comportamiento de las moléculas que lo constituyen, no sabemos qué es lo que constituye el espacio, no sabemos qué micro estados gravitacionales corresponden a un particular macro estado.

Sin embargo, tenemos una idea aproximada de lo que la entropía involucra. En situaciones donde la gravedad es despreciable, como una taza de café, una distribución uniforme de partículas tiene una alta entropía. Esta condición es un estado de equilibrio. Incluso cuando las partículas se acomodan ellas mismas, ya están bien mezcladas de manera que nada parece suceder macroscópicamente. Pero si la gravedad es importante y el volumen es fijo, una distribución alisada es de relativamente baja entropía. En este caso, el sistema está muy lejos de equilibrio. La gravedad causa que las partículas se agrupen en estrellas y galaxias, y la entropía aumenta notablemente-en consonancia con la segunda ley.

En verdad, si queremos maximizar la entropía de un volumen cuando la gravedad está activa, sabemos lo que vamos a obtener: un agujero negro. En el decenio de 1970 Stephen Hawking de la Universidad de Cambridge confirmó una provocadora sugerencia de Jacob D. Bekenstein, ahora en la Universidad Hebrea de Jerusalén, según la cual los agujeros negros encajan perfectamente en la segunda ley. Al igual que los objetos calientes que la segunda ley formuló inicialmente para describir, los ajugeros negro emiten radiación y tienen entropía un montón de ella. Un simple agujero negro de una masa de un millón de estrellas , como el que vive en el centro de nuestra galaxia, tiene 100 veces la entropía de todas las partículas ordinarias en el universo observable.

Eventualmente, incluso los agujeros negros se evaporan emitiendo radiación Hawking. Un agujero negro no tiene la más alta entropía posible, sino sólo la más alta entropía que puede ser paquetizado en un determinado volumen. El volumen de espacio en el universo, sin embargo, parece ir en aumento sin límite. En 1998 los astrónomos descubrieron que la expansión cósmica se está acelerando. La explicación más sencilla es la existencia de energía oscura, una forma de energía que existen aún en el espacio vacío y que no parece diluirse a medida que el universo se expande. No es la única explicación de la aceleración cósmica, pero los intentos para llegar a una mejor idea hasta el momento han quedado cortos.

Si la energía oscura no se diluye, el universo se expandirá para siempre. Galaxias distantes desaparecerán de la vista [véase “El fin de la cosmología?” Por Lawrence M. Krauss y Robert J. Scherrer; Scientific American, marzo]. El resto colapsara en agujero negro, que a su vez se evapora en la oscuridad que lo rodea seguramente como un charco se seca durante un día caluroso.Lo que quedará es un universo que es, para todos los efectos, vacío. Entonces y sólo entonces el universo verdaderamente habrá maximizado su entropía. El universo estará en equilibrio, y nada más llegara a suceder.

Puede parecer extraño que el espacio vacío tenga tan enorme entropía. Suena como decir que el más desordenado escritorio en el mundo es un escritorio completamente vacío.

La entropía requiere micro estados, y, a primera vista, el espacio vacío no tiene ninguno. En realidad, sin embargo, el espacio vacío tiene muchos micro estados, micro estados de gravitación cuántica construidos en el tejido del espacio. No sabemos todavía qué es exactamente lo que estos estados son, no más que lo que sabemos de los micro estados que cuentan para la entropía de un agujero negro, pero sí sabemos que en un universo en aceleración la entropía en el volumen observable se aproxima un valor constante proporcional a la area de su frontera. Es una verdaderamente enorme cantidad de entropía, mucho mayor que de la que se trata dentro de ese volumen.

ABOUT THE AUTHOR(S)

Sean M. Carroll is a senior research associate in physics at the California Institute of Technology. His research ranges over cosmology, particle physics and Einsteins general theory of relativity, with a particular expertise in dark energy. He has been awarded fellowships from the Sloan and Packard foundations, as well as the M.I.T. Graduate Student Council Teaching

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