Divulgación ¿Tiene alguna relación la expansión del espacio con el aumento de la entropía del universo?

[mianfg]

Es una pregunta que nos estamos haciendo varias personas, y nos gustaría saber si hay alguna relación entre estos dos hechos...

[Richard R Richard]

Re: ¿Tiene alguna relación la expansión del espacio con el aumento de la entropía del universo?

Hola mianfg Bienvenido al Foro!!!!!!!!!!!!!

No se bien que tipo de relación estas buscando .... hay una teoría que es la de muerte térmica del universo que las relaciona

https://es.wikipedia.org/wiki/Destin...a_del_universo

https://es.wikipedia.org/wiki/Muerte...a_del_universo


un articulo mas avanzado que relaciona las ecuaciones e Friedmann o la metrica FRLW y la termodinamica...https://arxiv.org/pdf/1602.03970.pdf

Si vas a participar activamente en el foro te recomiendo la lectura de lo siguiente si aun no lo has hecho,me ha sido sumamente útil


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Saludos

[Visitante]

Re: ¿Tiene alguna relación la expansión del espacio con el aumento de la entropía del universo?

No se bien que tipo de relación estas buscando ....

Bienvenido mianfg!

Richard, si mal no he entendido, creo que lo que quiere preguntar es si ¿La expansión del universo hace que aumente la entropía?

Saludos,

[Richard R Richard]

Re: ¿Tiene alguna relación la expansión del espacio con el aumento de la entropía del universo?

Bienvenido mianfg!

Richard, si mal no he entendido, creo que lo que quiere preguntar es si ¿La expansión del universo hace que aumente la entropía?

Saludos,

La intuición parece indicar que si creo mas espacio y distribuyo el mismo contenido de energía en el interior, la entropía disminuye... pero cito textualmente

El Big Freeze es un escenario bajo el que la expansión continúa indefinidamente en un universo que es demasiado frío para tener vida. Podría ocurrir bajo una geometría plana o hiperbólica, porque tales geometrías son una condición necesaria para un universo que se expande por siempre. Un escenario relacionado es la muerte térmica, que dice que el universo irá hacia un estado de máxima entropía en el que cada cosa se distribuye uniformemente y no hay gradientes, que son necesarios para mantener el tratamiento de la información, una forma de vida. El escenario de muerte térmica es compatible con cualquiera de los tres modelos espaciales, pero necesita que el universo llegue a una eventual temperatura mínima.

Esto va de propio por lo que creo entender si entropia es $dS=\dfrac{\delta Q}{T}$ si $T\to 0$ la entropia aumetaria indefinidamente

[mianfg]

Re: ¿Tiene alguna relación la expansión del espacio con el aumento de la entropía del universo?

La intuición parece indicar que si creo mas espacio y distribuyo el mismo contenido de energía en el interior, la entropía disminuye... pero cito textualmente



Esto va de propio por lo que creo entender si entropia es $dS=\dfrac{\delta Q}{T}$ si $T\to 0$ la entropia aumetaria indefinidamente

Nosotros hemos pensado que al aumentar el espacio la entropía aumenta, pues con mayor espacio y mismo número de partículas hay más formas de "colocarlas" o "distribuirlas" y, por tanto, más desorden.

[Richard R Richard]

Re: ¿Tiene alguna relación la expansión del espacio con el aumento de la entropía del universo?

Nosotros hemos pensado que al aumentar el espacio la entropía aumenta, pues con mayor espacio y mismo número de partículas hay más formas de "colocarlas" o "distribuirlas" y, por tanto, más desorden.

Hasta tanto las partículas no ocupen todo ese espacio no necesariamente la entropía habrá aumentado.


hagamos un ejercicio mental supongamos que tengo un deposito con mercadería desordenada, ahora me compro el deposito de al lado,..... mientras no pase la mercadería de uno al otro la entropía es la misma, pero si distribuyo la mercadería entre ambos la entropia habrá aumentado. El segundo principio dice que no podrás volver a poner la mercadería en el primer deposito nuevamente sin dejarte algo de energía en el nuevo deposito.

[Julián]

Re: ¿Tiene alguna relación la expansión del espacio con el aumento de la entropía del universo?

Nosotros hemos pensado que al aumentar el espacio la entropía aumenta, pues con mayor espacio y mismo número de partículas hay más formas de "colocarlas" o "distribuirlas" y, por tanto, más desorden.

La entropía no habla de las maneras de ubicar las cosas en el espacio, sino ubicar las cosas en los niveles o grados de energía. Todo se base en la función de distribución y la distribución para la cual se tiene el valor más grande, es la más probable. Ahora se puede demostrar que el máximo, es una función exponencialmente decreciente en función de la energía y de esta manera es posible llegar a la famosa ecuación de boltzman, con un parámetro escalar que se define como la temperatura.

Ahora no estoy en conocimiento completo de esto pero me doy el lujo de hablar. En los comienzos del universo, en el estado de plasma primordial, la entropía estaba en su máximo (un gás de pariculas con una distribución máxima ya que era homogenea) pero la expanción del universo lo que hace es aumentar ese máximo. Es decir, existen más niveles energéticos posibles a ocupar.

Tengo muchas ganas de comprarme ese libro. http://francis.naukas.com/2016/08/19/entropia/

[Visitante]

Re: ¿Tiene alguna relación la expansión del espacio con el aumento de la entropía del universo?

la entropía estaba en su máximo (un gás de pariculas con una distribución máxima ya que era homogenea)

¿Cómo la entropía puede estar en su máximo al inicio del universo y esta ser homogénea? Si es homogénea ¿No debería haber poca entropía o ninguna?

[Julián]

Re: ¿Tiene alguna relación la expansión del espacio con el aumento de la entropía del universo?

¿Cómo la entropía puede estar en su máximo al inicio del universo y esta ser homogénea? Si es homogénea ¿No debería haber poca entropía o ninguna?

Lo que que quise dar a entender que la distribución de materia - energía era homogenea y no se puede hablar de localizaciones de entropía debido a que es una magnitud escalar que es variable de estado de todo el sistema, en este caso universo.
Ahora bien, dado un sistemas aislado (como lo es el universo), una distribución homogenea de la materia - energía implica la entropía en su máximo, el cual es el estado más probable.

[Alriga]

Re: ¿Tiene alguna relación la expansión del espacio con el aumento de la entropía del universo?

Os explico lo que creo recordar sobre el tema, que es poco porque no puedo volver a consultarlo, puesto que no recuerdo donde lo leí ni el autor, ¿Penrose?
Creo recordar que explicaba algo así:

1. La “sopa” primordial después del big-bang tenía alta entropía, cercana al máximo que podía tener puesto que la “sopa” era bastante homogénea.

2. Los distintos procesos que han ido aconteciendo después en el universo en su evolución, (formación de estrellas, galaxias,…) han aumentado cada vez más la entropía, pero

3. Con la expansión del universo, el máximo posible ha estado creciendo mucho más deprisa que la producción de entropía debida a los procesos del punto 2

Pero creo que explicaba que todo ello era bastante complicado de justificar, (que el problema no estaba resuelto), puesto que en ello la gravedad tiene una influencia importante que no se puede cuantificar con precisión hasta que se disponga de una teoría cuántica de la gravedad.

Y esto es todo lo que creo recordar, a ver si con las pistas alguien que sepa más que yo puede dar más detalles, ya sea corroborando o refutando estos vagos recuerdos.

Saludos.

[justinux]

Re: ¿Tiene alguna relación la expansión del espacio con el aumento de la entropía del universo?

[FONT=Helvetica]Hola,[/FONT]
[FONT=Helvetica] El Universo por definición es un sistema aislado en evolución libre, luego su entropía debe crecer (o como mucho permanecer igual).[/FONT]
[FONT=Helvetica] Si la pregunta es que si los grados de libertad de la materia y radiación hacen aumentar la entropía necesariamente cuando el Universo se expande, la respuesta no es evidente puesto que la entropía crece con el espacio de fase disponible para el sistema, y este espacio de fase tiene una componente de volumen espacial, pero también de volumen en el espacio de momentos o velocidades, y una expansión puede llevar consigo una disminución de esta última componente, que puede contrarrestar el aumento del volumen espacial..[/FONT]
[FONT=Helvetica] Sin embargo, si la pregunta es que si los grados de libertad gravitacionales hacen aumentar la entropía del Universo cuando se expande, la respuesta es de hecho que la mayor parte del aumento de entropía del universo es debida a la aglomeración gravitatoria, o sea, a la formación de agujeros negros y su correspondiente contribución a la entropía, a parte de la contribución de la entropía del horizonte de eventos cosmológico.[/FONT]
[FONT=Helvetica]
[/FONT]
[FONT=Helvetica] Una sugerente exposición más o menos divulgativa de esto está en el libro de Roger Penrose “Ciclos del Tiempo” de la Ed. RandomHouse-Mondadori[/FONT]
[FONT=Helvetica]
[/FONT]
[FONT=Helvetica] Saludos[/FONT]

[Alriga]

Re: ¿Tiene alguna relación la expansión del espacio con el aumento de la entropía del universo?

¡Gracias justinux, y Feliz Año Nuevo!

La aparente “paradoja” que se nos presenta a los que no sabemos suficiente Termodinámica Física es que si se emplea este razonamiento:

1. La “sopa” del Universo primordial era muy homogénea, e incluso 380.000 años después del big-bang en la recombinación que originó el fondo cósmico de microondas, el estado era prácticamente de equilibrio termodinámico, por lo tanto la entropía suponemos que estaba muy cerca del máximo posible.

2. En los restantes 13.800 millones de años hasta ahora la entropía solo ha podido crecer, puesto que el Universo es un sistema aislado.

3. ¿Cómo ha podido crecer si ya estaba prácticamente en el máximo? Y ahí la aparente paradoja, que no sería ya paradoja si el máximo posible ha ido aumentando con la expansión, aunque eso creo que es lo difícil de explicar, al menos a nivel divulgación.

Saludos.

[justinux]

Re: ¿Tiene alguna relación la expansión del espacio con el aumento de la entropía del universo?

[FONT=Helvetica]Hola alriga y feliz año a ti también,[/FONT]
[FONT=Helvetica]
[/FONT]
[FONT=Helvetica] Mis conocimientos de cosmología son limitados, pero lo que entiendo es que efectivamente hay ciertas paradojas en el asunto de la entropía del universo: entiendo que al principio de la evolución del Universo (aunque después de inflación y demás) la entropía del Universo viene por las contribuciones de la materia y radiación, pero en la actualidad (una vez formados as estructuras del Universo) los grados de libertad que más contribuyen a la entropía son los de la gravedad. [/FONT]
[FONT=Helvetica] En la situación de muerte térmica que se apuntó más arriba hay una situación en algo similar a los primeros estadios de la evolución del Universo, en el sentido de que vuelve a haber equilibrio y los grados de libertad gravitacionales ya no juegan un rol importante (las masas de las partículas sobrevivientes tienden a ser cero o casi, justo como en los primeros instantes aunque por motivos diferentes). Además la configuración del Universo es similar en ambos momentos, salvo por un cambio global de escala, lo cual no cambia la entropía (en dichos cambios el volumen espacial cambia en un factor que es el inverso del factor del volumen de espacio de momentos). [/FONT]
[FONT=Helvetica] Entonces aquí está la paradoja: todo el aumento de entropía de las grandes estructuras gravitacionales (la entropía de un agujero negro es proporcional a su área en unidades de areas de Plank, lo cual es una contribución muy grande), y que por evaporación se convierte en entropía “normal”, es decir, entropía de la materia-radiación, termina en un estado cuya configuración es similar a la inicial… O sea, partimos de una entropía (maximal), luego entran los grados gravitacionales y la entropía aumenta enormemente para finalizar en un estado de entropía igual que al principio. Supongo que para evitar esta paradoja debe haber un mecanismo no considerado que haga que la entropía en los primeros momentos del Universo sea mucho menor que lo considerado por el conteo de estados disponibles de la materia-radiación, y supongo que por ello y puesto que la gravedad cuántica debe tener cierta influencia en los primeros estadios de la evolución del universo, este ingrediente podría dar alguna respuesta.[/FONT]
[FONT=Helvetica] Así es como lo creo entender, aunque como digo no soy ni por asomo un experto y podría estar diciedo alguna barbaridad… [/FONT]
[FONT=Helvetica]Saludos[/FONT]

[Julián]

Re: ¿Tiene alguna relación la expansión del espacio con el aumento de la entropía del universo?

[FONT=Helvetica] O sea, partimos de una entropía (maximal), luego entran los grados gravitacionales y la entropía aumenta enormemente para finalizar en un estado de entropía igual que al principio[/FONT]

¿Acá te refieres a que la entropía era máximal al principio del universo, luego el máximo crece y como todo sistema aislado con un máximo mayor a la entropía actual, esta aumenta hasta un punto donde el máximo deja de crecer y por lo tanto la entropía alcanza dicho máximo. Situación análoga al comienzo del universo.?

[FONT=Helvetica]Si la pregunta es que si los grados de libertad de la materia y radiación hacen aumentar la entropía necesariamente cuando el Universo se expande, la respuesta no es evidente puesto que la entropía crece con el espacio de fase disponible para el sistema, y este espacio de fase tiene una componente de volumen espacial, pero también de volumen en el espacio de momentos o velocidades, y una expansión puede llevar consigo una disminución de esta última componente, que puede contrarrestar el aumento del volumen espacial..[/FONT]

¿Acá te refieres que en un principio la gravedad juega un papel en el crecimiento de la componente espacial del espacio de fase mayor al espacio de momentos que produce el crecimiento del máximo de la entropía, el cual es desacelerado por el crecimiento del espacio de momentos hasta que este supera el aumento de la componente espacial y por lo tanto el máximo de entropía llega a una convergencia?

Saludos.

[justinux]

Re: ¿Tiene alguna relación la expansión del espacio con el aumento de la entropía del universo?

[FONT=Helvetica]Hola ,[/FONT]
[FONT=Helvetica] Lo que quise decir es que normalmente cuando hablamos de la entropía del Universo, solo tenemos en cuenta los grados de libertad de la materia y radiación, pero también hay que tener en cuenta los grados de libertad de la gravedad. Por hacer una analogía (con todas las salvedades, y esperando que no confunda más de lo que aclare), el Universo podría asemejarse a un gas en expansión contenido en un émbolo móvil. Los grados de libertad de la materia y la radiación serían, en esta analogía, los grados de libertad del gas, mientras que los grados de libertad de la gravedad corresponderían a los grados de libertad del émbolo. Entonces en un primer momento la expansión del gas ocurre como si el émbolo no interviniera, y la entropía del sistema corresponde al de un gas en expansión libre, pero a medida que la expansión aumenta el émbolo (y el material que lo compone) se calienta y su entropía aumenta de tal modo que es la mayor contribución al aumento de entropía del sistema hasta que al final del proceso de nuevo domina la entropía del subsistema gaseoso… La situación física real del gas y el émbolo no hay que tomarla aquí demasiado literal, solo sirve para recalcar que:[/FONT]
[FONT=Helvetica] 1.- El sistema no solo contiene al gas (a la materia y radiación) sino que también contiene al émbolo (gravedad) que en ciertos momentos puede contribuir al aumento de la entropía.[/FONT]
[FONT=Helvetica]2.- Si uno solo se centrara en la entropía del gas sin tener en cuenta la dinámica del émbolo, podríamos tener una situación donde el mecanismo del émbolo hiciera que la expansión del gas tuviera una disminución de entropía (cosa posible ya que el gas sólo no es ya un sistema cerrado).[/FONT]
[FONT=Helvetica]
[/FONT]
[FONT=Helvetica]La situación de omogeneidad suele corresponder a una situación de entropía máxima para sistemas ordinarios como la materia o la radiación, pero para los sistemas gravitacionales no es así. La acumulación de materia y su posterior colapso gravitacional llevan a la situación de máxima entropía posible en un volumen dado, que corresponde a la situación de un agujero negro. Sin embargo, en la situación de muerte térmica ocurre que la expansión continúa indefinidamente dando tiempo a la evaporación de estas estructruras, dando lugar a una situación de mayor entropía en forma de materia ordinaria distribuida homogéneamente(esto no es contradictorio con lo dicho inmediatamente antes ya que la materia y/o radiación resultante ocupa un volumen mayor). En esta situación final tenemos que los grados de libertad gravitacionales ya no juegan un papel y la situación es como al principio, incluyendo la homogeneidad y el dominio de materia y radiación.[/FONT]
[FONT=Helvetica]La situación inicial y final son similares, mientras que la situación intermedia implica un aumento absurdamente grande de entropía respecto a lo que implicaría un aumento de entropía por una mera expansión libre de materia.[/FONT]
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[FONT=Helvetica] Por otro lado la entropía clásica (usada para calcular la entropía para los grados de libertad de materia/radiación sin intervención de la gravedad) va como el logaritmo del espacio de fases disponible para un macroestado dado. El espacio de fases es, dicho vagamente, el producto del volumen espacial que ocupa la materia/radiación multiplicado por el volumen del espacio de momentos que define a dicho macrostado. Ahora bien, si analizas la situación final y la inicial descrita anteriormente, no es fácil decidir si la entropía era mayor o menor en una situación u otra, y menos evidente es establecer la diferencia tan grande entre dichas entropías. Por un lado en la situación inicial el volumen espacial era muy pequeño comparada con la situación final, pero las velocidades (o mejor dicho, momentos) en la situación inicial es mucho mayor que en la situación final, así que no podemos suponer, al menos con los argumentos dados, que la entropía inicial era tan pequeña comparada con la entropía final.[/FONT]
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[FONT=Helvetica]
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[FONT=Helvetica] Dicho de otro modo, la evolución del universo que observamos implica que el inicio debe corresponder con una entropía ínfima comparada con la entropía final para observar lo que observamos. Es decir, la condición inicial del Universo es muy peculiar. Este tipo de problemas se suele conocer en Física como problema de ajuste fino, y frente a ellos uno puede tomar dos tipos de posturas:[/FONT]
[FONT=Helvetica] 1.- Asumir que las cosas son así por mera casualidad.[/FONT]
[FONT=Helvetica]2.- Existe un mecanismo (desconocido) por el cual las cosas no pueden ser de otra forma.[/FONT]
[FONT=Helvetica] La segunda postura es más común, y en este caso dicho mecanismo se suele atribuir a algún efecto (por ahora desconocido) procedente de la gravedad cuántica.[/FONT]
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[FONT=Helvetica] No se si aclaré un poco mejor las cosas o las oscurecí…[/FONT]
[FONT=Helvetica] Saludos[/FONT]