Paradoxa de la mort tèrmica

La paradoxa de la mort tèrmica, o també coneguda com a paradoxa de Clausius i paradoxa termodinàmica; és un argument reductio ad absurdum formulat en 1862 per Lord Kelvin, Hermann von Helmholtz i William John Macquorn Rankine, que utilisa la termodinàmica per a mostrar l'impossibilitat d'un univers infinitament vell.

Assumint que l'univers és etern sorgix una pregunta: ¿Per qué l'equilibri tèrmic no s'ha alcançat encara?

Esta paradoxa no existix en la cosmologia del Big Bang, en la que l'edat actual de l'univers no és suficientment gran per a que l'equilibri s'haja alcançat; mentres que en la cosmologia del estat estacionario, suficient cantitat d'hidrogen és regenerat contínuament com per a permetre una densitat mija constant i impedir la disminució d'estreles.

La paradoxa

Esta paradoxa teòrica va dirigida a la corrent llavors dominant de creències en una visió clàssica d'un univers espíterno, segons la qual la seua matèria es postula com a eterna i sempre reconeixible com l'univers. La paradoxa de la mort tèrmica de l'univers naix d'un paradigma derivat d'idees fonamentals sobre el cosmos; és necessari canviar el paradigma per a resoldre la paradoxa.

La paradoxa es basava en el punt de vista mecànic rígit de la segona llei de la termodinàmica postulada per Rudolf Clausius i Lord Kelvin, segons la qual la calor solament pot transferir-se d'un objecte més càlit a un més fret. Senyala: si l'univers fora etern, com s'afirma clásicamente, ya deuria estar fret i isotrópico (els seus objectes deurien tindre la mateixa temperatura i la distribució de matèria o radiació deuria ser uniforme). Kelvin va comparar l'univers en un rellonge que va cada volta més despacio, dissipant energia constantment en calor impalpable, encara que no estava segur de si es detindria per a sempre (alcançaria l'equilibri termodinàmic). Segons este model, l'existència d'energia utilisable, que pot usar-se per a realisar treball i produir entropía, significa que el rellonge no s'ha detingut, ya que no es contempla una conversió de calor en energia mecànica (que Kelvin va cridar escenari de univers rejuvenecedor).

Segons les lleis de la termodinàmica, qualsevol objecte calent transferix calor al seu entorn més fret, fins que tot està a la mateixa temperatura. Per a dos objectes a la mateixa temperatura, tant calor fluïx d'un cos com de l'atre, i l'efecte net és nul. Si l'univers era infinitament antic, va deure haver hagut temps suficient per a que les estreles gelaren i calfaren el seu entorn. Per tant, totes parts deurien estar a la mateixa temperatura i no deuria haver estreles, o tot deuria estar tan calenta com les estreles. L'univers deuria aixina alcançar, o tendir asintomóticamente a, l'equilibri termodinàmic, que correspon a un estat en el que no queda energia lliure termodinàmica i, per tant, no és possible realisar més treball: esta és la mort tèrmica de l'univers, com va predir Lord Kelvin en 1852. La temperatura mija del cosmos també deuria tendir asintóticamente al zero absolut, i és possible que s'alcance un estat de màxima entropía.

Solució de Kelvin

En febrer de 1862, Lord Kelvin va utilisar l'existència del Sol i les estreles com a prova empírica de que l'univers no ha alcançat l'equilibri termodinàmic, ya que la producció d'entropía i el treball lliure encara són possibles, i existixen diferències de temperatura entre objectes. Hermann von Helmholtz i William John Macquorn Rankine varen ampliar l'obra de Kelvin poc despuix. Com hi ha estreles i objectes frets, l'univers no està en equilibri termodinàmic, per lo que no pot ser infinitament antic.

Solució de Boltzmann

Ludwig Boltzmann va propondre que nosatres i l'univers de baixa entropía que observem som, en realitat, una fluctuació tèrmica aleatòria en un univers de major entropía. Inclús en un estat propenc al d'equilibre existiran fluctuacions estocàstiques en el nivell d'entropía: les més comunes serien relativament menudes, i donarien lloc a chicotetes cantitats d'orde, mentres que atres majors, en els seus majors nivells d'organisació associats, serien relativament més rares; enormes fluctuacions serien altísimamente improvables, pero açò pot explicar-se per l'enorme tamany de l'univers i per l'idea de que, si som resultat d'una fluctuació, hi ha un procés de «selecció» implícit:

Observem este univers tan improvable perque tal improbabilidad és necessària per a que estigam ací.

Més recentment, els físics Sean M. Carroll i Jennifer Chen varen plantejar l'hipòtesis de que l'univers podria evitar una mort tèrmica eterna per mig d'un túnel i fluctuacions quàntiques aleatòries, donada la provabilitat distinta de zero del sorgiment d'un nou Big Bang que creu un nou univers en aproximadament $10^{10^{56}}$ anys.

Vore també: Teorema de recurrencia de Poincaré, Teorema sobre la fluctuació d'entropía, i Fluctuacions primordials

Cosmologia moderna

Esta paradoxa no existix en la cosmologia del Big Bang. El modele Lambda-CDM, que postulen que l'univers va començar fa aproximadament 13.800 millons d'anys, no lo suficient com per a que l'univers s'acostara a l'equilibri termodinàmic. Algunes propostes de refinament adicionals, denominades inflació eterna, restauren l'idea de Kelvin del temps infinit en la forma més complexa d'un multiverso etern i en expansió exponencial, en el que univers bebés mútuament inaccessibles, alguns dels quals s'assemblen a l'univers que habitem, estan naixent contínuament.

Per un atre costat en la cosmologia del estat estacionario, suficient cantitat d'hidrogen és regenerat contínuament com per a permetre una densitat mija constant i impedir la disminució d'estreles.