Divulgación Entriopia en el Big Bang (Pregunta)

[ibanez]

Bueno, este es mi primer mensaje en el foro , decir que os llevo leyendo desde hace tiempo, y felicitaros por el gran foro que teneis.

El caso es que mientras estaba lellendo un libro sobre la termodinamica (Las cuatro leyes del universo, de Peter Atkins), y una vez que consegui entender el concepto de entriopia, eso creo , tube la siguente duda:

La segunda ley de la termodinamica enuncia, en resumen, que la entriopia no decrece nunca

Pero si como se piensa en los primeros milisegundos del universo todo era un amasijo de particulas que ademas se encontraban a temperaturas del orden de millones de grados en este momento habria una altisima entriopia , por no decir infinita, entonces cuando el universo empezo a enfriarse, no disminuiria su entriopia, violando asi la segunda ley de la termodinamica.

¿Esto podria ser posible?

[pod]

Re: Entriopia en el Big Bang (Pregunta)

Ese "amasijo" era muy uniforme, así que de hecho estaba más ordenado que ahora. Si te fijas, ahora el universo no es uniforme (a no ser que hagas promedios a la escala de los supercúmulos), sino que hay grumos de materia segregados por todas partes (estrellas, planetas, etc). Así que estaba mucho más ordenado antes, cuando estaba caliente.

Si tienes suerte, alguien más experto en el tema te puede explicar más sobre la entropía del universo, que está relacionada con la cantidad de radiación que hay (aprox. $10^9$ fotones por cada barión, si no recuerdo mal).

[chap]

Re: Entriopia en el Big Bang (Pregunta)

Hola a todos. Para Ibanez : El solo hecho de tener inquietudes es para felicitarte. Respecto a la entropía algunos detalles.

1. Vincular entropía con orden o desorden es una interpretación, entre otra media docena por lo menos. Y tal vez sean más y las esté ignorando. Lo cierto es que hay en física leyes que acotan el desarrollo de acontecimientos, unas de un modo, otras de otros. Acotan porque dicen que no puedes hacer cualquier cosa, sino solamente lo permitido. No puedes violar las conservaciones (o si prefieres no puedes escapar a las simetrías) en el ámbito de la dinámica, sea dinámica mecánica, electromagnética, nuclear... Y en el ámbito de la termodinámica no puedes violar la condición de una función que jamás disminuye si el sistema está cerrado y aislado del entorno. No interesa cómo se llama esa función. Simplemente se verifica que no puede decrecer. ¿Es acaso la única función que no puede decrecer? No. Por ejemplo planteas un problema de mecánica con la energía como dato y con otros datos, dejando al tiempo como incógnita. Cuando alguien lo resuelve algebraicamente o analíticamente obtiene una función, que es el tiempo en función de la energía y de las otras magnitudes que aparecen en los datos. Es decir obtiene la función tiempo. Un ordenador o un marciano podrían ignorar que en nuestra vida real el tiempo nunca disminuye y un error de cálculo podría producir un resultado con tiempo negativo. Nosotros nunca aceptaríamos ese resultado pues conocemos el principio (implícito pero no por eso menos vigente) del tiempo que no puede disminuir. Entonces buscaríamos el error. El Segundo Principio de la Termodinámica se refiere a una función, que como la función tiempo no puede disminuir. Pero de ahí a relacionar la entropía con el orden media un conjunto de hipótesis que son sólo eso, hipótesis. En muchos casos esas hipótesis implican condiciones que se pueden comprobar. Pero, ¿quién comprueba el orden del universo? A lo sumo algún día se podrá comprobar cómo se comportan las variables termodinámicas que participan en la función entropía, para llegar a la conclusión de que la termodinámica es o no aplicable al universo entero. Pero la comprobación no se hará juzgando el orden, sino midiendo directa o indirectamente las variables que intervienen en la función.

2. Aunque aceptásemos ciegamente las hipótesis que vinculan a la entropía con el orden o el desorden, en el universo hay agujeros negros, estrellas de neutrones, quasares, materia oscura y la lista corre el riesgo de ampliarse un día de estos. Entiendo que nadie ha tenido aún el gusto o el disgusto de tocar uno de esos objetos postulados por la astrofísica actual, de modo tal que mañana una astrofísica renovada podría descreer de todos ellos. Pero mientras dure la astrofísica vigente no puedes ignorar que forman parte de la teoría. Y aún nadie se puso muy de acuerdo respecto a qué hacen los agujeros negros, por nombrar un ejemplo. ¿Aspiran entropía y la esconden dentro de ellos o la escupen hacia afuera? Si la escondiesen dentro podrías asear al universo y dejarlo bellísimamente ordenado en todas partes, exceptuando al interior de los agujeros negros, donde has metido toda la entropía que barriste del resto del universo (como dicen que la nuera barre debajo de la alfombra la mugre, si la suegra cae de sorpresa y no le da tiempo a limpiar como corresponde). Es decir no basta saber que todo lo visible o radiodetectable está muy ordenadito para juzgar que se ha violado o no el Segundo Principio.

3. Para que tengas una bella oportunidad de oler la complejidad del tema, puedes encontrar entre los hilos del foro un hilo iniciado por Entro (usuario del foro que tal vez ya conozcas). En ese hilo Entro muestra una función escalonada perteneciente a la entropía de un agujero negro. Creo que el título del hilo es algo así como ¿ESTÁ CUANTIZADA LA ENTROPÍA DE UN AGUJERO NEGRO? Lo lees y te avispas de que no es un asunto demasiado fácil, o como le gusta decir a Entro, huele como que fuese un pelín difícil.

Espero haber contribuido un poquito a tu inquietud. Mi mejor saludo.

[ibanez]

Re: Entriopia en el Big Bang (Pregunta)

Gracais por una contestacion tan completa

A mi personalmente me parece que la interpretacion de la entriopia como orden o desorden es demasiado "abstracta" (Pero esa no quita que sea bella)

Respecto al tema de los agujeros negros nunca se me habia ocurrido pensar como se relacionan la entriopia con ellos, y por lo tanto como, en cierta medida se relaciona la gravedad y la entriopia.

Sobre el tema del hilo de Entro se escapa a mi nivel asique tendre que mirarlo con detenimiento haber si me entero de algo


Pensando sobre el tema, se me ha ocurrido una "sencilla" explicacion, entendiendo la entriopia como orden o desorden:
Mientras que el universo se enfriaba tambien se expandia, por lo tanto cuanto mayor fuese su tamaño menos probabilidades de encontrar una particuala deseada lo que se traduce como una aumento del desorden es decir, de la entriopia.
En resumen segun se iva enfriando tambien se iva expandiendo lo que puede provocar que la entriopia total fuera aumentado. Esta idea me hace "divagar" , es decir imaginar que qizas una de las causas del aumento de entriopia sea debido a eso, la continua expansion del universo.

Bueno por ultimo daros las gracias pod y chap por responder. Un saludo

[pod]

Re: Entriopia en el Big Bang (Pregunta)

1. Vincular entropía con orden o desorden es una interpretación, entre otra media docena por lo menos.

Es bastante más que una interpretación. Es algo que se lee más o menos directamente de la fórmula de Boltzman (que puedes ver en la firma de Entro, por ejemplo).

Y tal vez sean más y las esté ignorando. Lo cierto es que hay en física leyes que acotan el desarrollo de acontecimientos, unas de un modo, otras de otros. Acotan porque dicen que no puedes hacer cualquier cosa, sino solamente lo permitido.

Esto no contradice la "interpretación".

No puedes violar las conservaciones (o si prefieres no puedes escapar a las simetrías) en el ámbito de la dinámica, sea dinámica mecánica, electromagnética, nuclear...

De hecho, las leyes de conservación son menos potentes que la condición de no disminución de la entropía. Hay muchos procesos que serían permitidos por las leyes de conservación, pero que se prohíben por que harían disminuir la entropía.

Y en el ámbito de la termodinámica no puedes violar la condición de una función que jamás disminuye si el sistema está cerrado y aislado del entorno.

El universo por definición es cerrado. Para no ser cerrado, tendría que existir "algo" con quien el universo pueda intercambiar calor. Pero como el universo por definición es todo; ese "algo" de existir formaría parte del universo, contradiciendo la premisa. En conclusión, el universo es cerrado y por el seundo principio de la termo su entropía debe crecer.

No interesa cómo se llama esa función.

A mi sí me importa...

Simplemente se verifica que no puede decrecer. ¿Es acaso la única función que no puede decrecer? No. Por ejemplo planteas un problema de mecánica con la energía como dato y con otros datos, dejando al tiempo como incógnita. Cuando alguien lo resuelve algebraicamente o analíticamente obtiene una función, que es el tiempo en función de la energía y de las otras magnitudes que aparecen en los datos. Es decir obtiene la función tiempo. Un ordenador o un marciano podrían ignorar que en nuestra vida real el tiempo nunca disminuye y un error de cálculo podría producir un resultado con tiempo negativo. Nosotros nunca aceptaríamos ese resultado pues conocemos el principio (implícito pero no por eso menos vigente) del tiempo que no puede disminuir. Entonces buscaríamos el error. El Segundo Principio de la Termodinámica se refiere a una función, que como la función tiempo no puede disminuir.

Tu ejemplo es inapropiado. El tiempo no es una función, es una coordenada. Tú te refieres a que no podemos "recorrer" el tiempo hacia atrás, que no es lo mismo que el tiempo no pueda decrecer (y hay algunas hipótesis sobre como saltarse el principio que implica que no se puede hacer).

Pero de ahí a relacionar la entropía con el orden media un conjunto de hipótesis que son sólo eso, hipótesis. En muchos casos esas hipótesis implican condiciones que se pueden comprobar. Pero, ¿quién comprueba el orden del universo? A lo sumo algún día se podrá comprobar cómo se comportan las variables termodinámicas que participan en la función entropía, para llegar a la conclusión de que la termodinámica es o no aplicable al universo entero. Pero la comprobación no se hará juzgando el orden, sino midiendo directa o indirectamente las variables que intervienen en la función.

No es una hipótesis. Como he dicho antes, se lee directamente de la definición de Boltzman de la entropía.

2. Aunque aceptásemos ciegamente las hipótesis que vinculan a la entropía con el orden o el desorden, en el universo hay agujeros negros, estrellas de neutrones, quasares, materia oscura y la lista corre el riesgo de ampliarse un día de estos. Entiendo que nadie ha tenido aún el gusto o el disgusto de tocar uno de esos objetos postulados por la astrofísica actual, de modo tal que mañana una astrofísica renovada podría descreer de todos ellos. Pero mientras dure la astrofísica vigente no puedes ignorar que forman parte de la teoría. Y aún nadie se puso muy de acuerdo respecto a qué hacen los agujeros negros, por nombrar un ejemplo. ¿Aspiran entropía y la esconden dentro de ellos o la escupen hacia afuera? Si la escondiesen dentro podrías asear al universo y dejarlo bellísimamente ordenado en todas partes, exceptuando al interior de los agujeros negros, donde has metido toda la entropía que barriste del resto del universo (como dicen que la nuera barre debajo de la alfombra la mugre, si la suegra cae de sorpresa y no le da tiempo a limpiar como corresponde). Es decir no basta saber que todo lo visible o radiodetectable está muy ordenadito para juzgar que se ha violado o no el Segundo Principio.

Se te va un poco la olla. La entropía no es un "objeto", y por lo tanto no se puede "esconder".

3. Para que tengas una bella oportunidad de oler la complejidad del tema, puedes encontrar entre los hilos del foro un hilo iniciado por Entro (usuario del foro que tal vez ya conozcas). En ese hilo Entro muestra una función escalonada perteneciente a la entropía de un agujero negro. Creo que el título del hilo es algo así como ¿ESTÁ CUANTIZADA LA ENTROPÍA DE UN AGUJERO NEGRO? Lo lees y te avispas de que no es un asunto demasiado fácil, o como le gusta decir a Entro, huele como que fuese un pelín difícil.

Espero haber contribuido un poquito a tu inquietud. Mi mejor saludo.

Obviamente no es nada sencilla la entropía de un agujero negro. Pero no está del todo relacionado con el tema del hilo, que es la entropía del universo...

[Entro]

Re: Entriopia en el Big Bang (Pregunta)

Es peligroso hacer este tipo de afirmaciones acerca del big bang y la entropía, aunque la idea es practicamente inevitable que se le venga a cualquiera a la cabeza.

Si bien es cierto que el big bang podría ser un estado altamente homogéneo, no hay que olvidar que las mezclas homogéneas tienen mayor entropía que estados bien separaditos y diferenciables en gases por poner un ejemplo. Así que todo parecería indicar que los estadios iniciales del universo tenían una gran entropía.

Pero esto no es muy correcto por varios motivos:

a) Durante el big bang se produjeron transiciones de fases muy dramáticas, y esto en principio puede aumentar la entropía muy fuertemente. (Como pasar de agua a vapor, por poner un ejemplo)

b) Estas transiciones además involucran roturas de simetrías, es decir, que se presupone que inicialmente el universo estaría gobernado por una única interacción y al final hemos acabado con cuatro, lo cual explica la multiplicidad de posibles estados en nuestro universo y su aumento inicial de entropía.

c) Es peligroso hacer afirmaciones termodinámicas en contextos de gravedad muy fuerte porque no estamos seguros de que dichas afirmaciones sean válidad en este contexto.

Y luego, una de estas transiciones de fase hizo que se empezaran a crear pares de materia-antimateria, solo que hubo un pequeño desajuste porque se creó una particula de materia de más por cada 10^9 pares materia-antimateria.... cuando el universo se enfrió un poco más dichos pares se aniquilaron dando lugar a la densidad de fotones por barión. (Esta es una explicación rápida y visual del númerito que ha mencionado pod en un post anterior).

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Re: Entriopia en el Big Bang (Pregunta)

Hola a todos. ¿Como va Ibanez ? ¿Te están sirviendo los mensajes?

Para pod : Personalmente estoy 100% en acuerdo con lo que apuntaste. En mi mensaje anterior no intenté faltar a esas precisiones, sino reforzarlas. Igualmente te agradezco pues eso exactamente es lo que extrañaba, tal como comenté privadamente en el Buzón del Rectorado. Hoy podríamos abrir públicamente ese hilo del Buzón, pero aunque no lo abramos sabemos que algunas veces analizar párrafo por párrafo da la oportunidad de fijar conceptos en buena forma. Gracias entonces, esta vez públicamente.

En estos días vino a mi mente un ejemplo de cómo se puede crear una falacia distorsionando el tema de la entropía. Ahí va.

Verdad : La entropía no puede disminuir. Desde un instante A hasta un instante B ocurren en el mundo innumerables acontecimientos que van acompañados por aumento de entropía.
Falacia: Según lo anterior el viaje en el tiempo hacia el pasado violaría el Segundo Principio, pues exigiría ir desde el instante B hasta el instante A, con la entropía en A menor que la entropía en B . Ergo, el viaje al pasado es imposible o el Segundo Principio está mal.

Si quieres, Ibanez, pon a prueba lo que aprendiste respecto a la entropía explicando las razones que desenmascaran a esa falacia. No necesitas escribirlo aquí, si quieres hazlo para tí mismo. Mi mejor saludo.

[ibanez]

Re: Entriopia en el Big Bang (Pregunta)

Si te paras a pensar la Segunda Ley no imposibilita los viajes en el tiempo hacia el pasado.Explico:

Supangamos que tenemos dos momentos en el tiempo uno al que llamaremos A y otro que denominaremos B, y que es posterior a A. Segun la Segunda Ley, la entriopia (S) en B a de ser mayor que en A (Sb>Sa), ahora bien, imagenemos que tenemos una particula en B, que por el motivo que sea consigue desplazarse en el tiempo hasta el momento A, pero este desplazamiento temporal no impide que la entriopia de de B siga aumentando, al margen de que ya no este dicha particula. En resumidas palabras un viaje en tiempo no significa que el universo vuelva a un estado anterior (lo que si que violaria la Segunda Ley) ni siquiera significa que la particulas vuelva a un estado anterior, sino que "simplemente" es un desplazamiento.

Aunque la Segunda Ley imposiblita muchas cosas en mi opnion "no tiene nada en contra" de los viajes en el tiempo hacia el pasado.

Corregidme si me equivoco. Un saludo p.ibanez

[pod]

Re: Entriopia en el Big Bang (Pregunta)

Nos estamos yendo un poco del tema del hilo, ¿no? Orden, orden

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Re: Entriopia en el Big Bang (Pregunta)

Si te paras a pensar la Segunda Ley no imposibilita los viajes en el tiempo hacia el pasado.Explico:

Supangamos que tenemos dos momentos en el tiempo uno al que llamaremos A y otro que denominaremos B, y que es posterior a A. Segun la Segunda Ley, la entriopia (S) en B a de ser mayor que en A (Sb>Sa), ahora bien, imagenemos que tenemos una particula en B, que por el motivo que sea consigue desplazarse en el tiempo hasta el momento A, pero este desplazamiento temporal no impide que la entriopia de de B siga aumentando, al margen de que ya no este dicha particula. En resumidas palabras un viaje en tiempo no significa que el universo vuelva a un estado anterior (lo que si que violaria la Segunda Ley) ni siquiera significa que la particulas vuelva a un estado anterior, sino que "simplemente" es un desplazamiento.

Aunque la Segunda Ley imposiblita muchas cosas en mi opnion "no tiene nada en contra" de los viajes en el tiempo hacia el pasado.

Corregidme si me equivoco. Un saludo p.ibanez

Concordamos. Mi mejor saludo.