Entropía en el universo

Entropía en el universo

Original web-page: https://johncarlosbaez.wordpress.com/2020/01/25/entropy-in-the-universe/

John Baez

Si hace clic en esta imagen, verá una imagen con zoom de la Vía Láctea con 84 millones de estrellas:

Pero las estrellas solo contribuyen con una pequeña fracción de la entropía total en el Universo observable. Si lo que quieres es información aleatoria, ¡busca en otro lado!

Primero: ¿qué es exactamente el “Universo observable”?

Cuanto más miras hacia el Universo, más atrás miras en el tiempo. No se puede ver a través del gas caliente de 380,000 años después del Big Bang. Ese “muro de fuego” marca los límites del Universo observable.

Pero a medida que el Universo se expande, las lejanas estrellas antiguas y el gas que vemos se han alejado aún más, por lo que ya no son observables. Por lo tanto, el llamado “Universo observable” es realmente el “Universo anteriormente observable”. ¡Su borde está a 46.5 mil millones de años luz de distancia ahora!

Esto es cierto a pesar de que el Universo tiene solo 13.8 mil millones de años. Un desafío estándar para comprender la relatividad general es descubrir cómo es esto posible, dado que nada puede moverse más rápido que la luz.

¿Cuál es el número total de estrellas en el Universo observable? Las estimaciones aumentan a medida que mejoran los telescopios. En este momento, la gente piensa que hay entre 100 y 400 mil millones de estrellas en la Vía Láctea. Piensan que hay entre 170 mil millones y 2 billones de galaxias en el Universo.

En 2009, Chas Egan y Charles Lineweaver estimaron que la entropía total de todas las estrellas en el Universo observable en 10⁸¹  bits. Usted debe pensar en ellos como qubits: es la cantidad de información para describir el estado cuántico de todo en todas estas estrellas.

¡Pero la entropía del gas y el polvo interestelar e intergaláctico es aproximadamente diez veces más la entropía de las estrellas! Son unos 10⁸² bits.

¡La entropía en todos los fotones del Universo es aún más! El Universo está lleno de radiación que queda del Big Bang. Los fotones en el Universo observable que quedan del Big Bang tienen una entropía total de aproximadamente 10⁹⁰ bits. Se llama “radiación cósmica de fondo de microondas”.

Los neutrinos del Big Bang también transportan unos 10⁹⁰ bits, un poco menos que los fotones. Los gravitones llevan mucho menos, unos 10⁸⁸ bits. Eso se debe a que se desacoplaron de otra materia y radiación muy temprano, y se han enfriado desde entonces. Por otro lado, los fotones en la radiación de fondo cósmico de microondas se formaron aniquilando pares de electrón-positrón hasta aproximadamente 10 segundos después del Big Bang. Por lo tanto, se espera que la radiación de gravitón sea más fría que la radiación de fondo de microondas: aproximadamente 0.6 kelvin en comparación con 2.7 kelvin.

Los agujeros negros tienen inmensamente más entropía que cualquier cosa que aparece hasta ahora. Egan y Lineweaver estiman la entropía de los agujeros negros de masa estelar en el Universo observable en 10⁹⁸  bits. Esto está conectado a por qué los agujeros negros son tan estables: la segunda ley dice gustos entropía a aumentar.

Pero la entropía de los agujeros negros crece cuadráticamente con la masa! Así que los agujeros negros tienden a fusionarse y formar agujeros negros más grandes – en última instancia, la formación de los agujeros ‘supermasivo’ negros en el centro de la mayoría de las galaxias. Estos dominan la entropía del Universo observable: cerca de 10¹⁰⁴  bits.

Hawking predijo que los agujeros negros irradian lentamente su masa cuando están en un entorno lo suficientemente frío. Pero el universo es demasiado caliente para los agujeros negros supermasivos a estar perdiendo masa ahora. En cambio, muy lentamente crecen por el consumo de la radiación cósmica de fondo, incluso cuando no están comiendo estrellas, gas y polvo.

Entonces, solo en el futuro lejano el Universo se enfriará lo suficiente como para que los agujeros negros grandes comiencen a decaer lentamente a través de la radiación de Hawking. La entropía continuará aumentando … ¡yendo principalmente a fotones y gravitones! Este proceso llevará mucho tiempo. Suponiendo que no caiga nada y que no intervengan efectos desconocidos, un agujero negro de masa solar tarda unos 10⁶⁷ años en evaporarse debido a la radiación de Hawking, mientras que uno realmente grande, comparable a la masa de una galaxia, debería tardar unos 10⁹⁹ años.

Si nuestros actuales ideas más populares de la energía oscura son correctos, el Universo continuará expandiéndose exponencialmente. Gracias a esto, habrá un horizonte de sucesos cosmológica que rodea cada observador, que irradiará la radiación Hawking a una temperatura de aproximadamente 10^-30  kelvin.

En este escenario el Universo en un futuro muy lejos consistirá principalmente en partículas sin masa producidos como radiación Hawking a esta temperatura: fotones y gravitones. La entropía dentro de la bola en expansión exponencial del espacio que es hoy nuestra ‘Universo observable’ seguirá aumentando exponencialmente… pero más al punto, la densidad de entropía se aproximará a la de un gas de fotones y gravitones en equilibrio térmico a 10^-30 grados Kelvin.

Por supuesto, es muy probable que aparezca una nueva física, de vez en cuando, ¡eso cambia la historia! Eso espero: este sería un final bastante aburrido para el Universo.

Para más detalles, vaya aquí:

• Chas A. Egan and Charles H. Lineweaver, A larger estimate of the entropy of the universe, The Astrophysical Journal 710 (2010), 1825 (Chas A. Egan y Charles H. Lineweaver, Una estimación mayor de la entropía del universo, El diario astrofísico 710 (2010), 1825).

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