Formación del Mundo
« ¿Por qué hay algo en lugar de nada? »
Esta pregunta de Leibniz, que para un frsico se refiere esencialmente al origen de la materia en nuestro Universo, puede que nunca pueda tener una respuesta correcta.
Al final de la era inflacionaria que siguió al Big Bang, la materia y la antimateria aparecieron aniquilándose mutuamente. Por un proceso aún mal entendido, la materia parece haber prevalecido sobre la antimateria. Esta materia emergente permitió la formación de nuestro mundo visible.
¿Qué más podemos decirle a Leibniz?
Los fisicos del modelo estándar del Big Bang consideran que la evolución del Universo es adiabática y reversible.
Que nuestro Universo, incluso en expansión, no intercambie calor con el mundo exterior es concebible, pero la termodinámica no puede aceptar que esta evolución sea reversible.
Quando aparece la materia, se activa el segundo principio de la termodinámica, aparece el tiempo y la entropía comienza a crecer. La flecha del tiempo, orientada en la dirección de una creciente entropía, conduce al sistema del Universo hacia su futuro. Ya no hay vuelta atrás.
Esta es la ley de la naturaleza.
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La entropía es el cociente de la cantidad de calor intercambiado con el exterior (cero por suposición en el modelo estándar) y la temperatura (horribly alta). L’entropia es asi casi nula porque el término de degradación en la entropía todavía no existe en el mundo temprano. Este último es perfecto, es el dominio del orden absoluto.
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Después las irreversibilidades de todas las naturalezas producidas por la disipación de la energía debido a los choques entre partículas de todo tipo condujeron a un aumento de la entropía en todo el sistema cerrado Universo.
La formación de los planetas
Todas las moléculas iniciales están uniformemente distribuidas en el Universo naciente, con baja entropía. La agitación en el mundo molecular debido a la temperatura conduce a fenómenos irreversibles: la entropía aumenta.
Pero estas moléculas másicas se atraen por la gravitación, de modo que pueden agruparse en cúmulos organizados causando una disminución local de la entropía compensada en gran parte por la disipación de energía produciendo un aumento global de la entropía en Universo.
El origen del movimiento
Esta pregunta obsesiona a la humanidad desde el principio de los tiempos.
El enorme desequilibrio de temperatura entre el Universo inicial y el exterior (sobre el cual poco se puede decir) causó que el Universo se expandiera abruptamente.
Los astrónomos, mucho más tarde, trataron de explicar el movimiento de los planetas sobre la base del determinismo, es decir, suponiendo que el sistema de planetas es predecible, estable y por lo tanto plenamente conocido. Esto hizo posible establecer las leyes de la mecánica clásica.
La descubrimiento del caos
Henri Poincaré, retomando las ecuaciones generales del movimiento de los planetas, muestra que los cálculos son inextricables. Cuestiona la estabilidad del sistema solar. ¡También Poincaré descubre el caos!
El movimiento de los planetas puede parecer estable durante unas pocas decenas o cientos de millones de años antes de salir de la zona de estabilidad para entrar en el caos.
La mayoría de los fenómenos de la naturaleza son no lineales, aunque a menudo se abordan mediante ecuaciones lineales. De ello se deduce que el sistema de la naturaleza no es determinista.
La gravitación (o la curvatura del espacio-tiempo desde la relatividad general) hace que las ecuaciones de movimiento sean no lineales, e introduce el caos en el sistema solar.
Muerte térmica del Universo
A medida que la entropía aumenta en un sistema aislado, la termodinámica convencional indica que se podría alcanzar un punto final de equilibrio.
El segundo principio de la termodinámica, aplicado a cualquier sistema cerrado, conduce a un deterioro irreversible, es decir, a la muerte térmica. Es muy probable que este sea el caso del Universo si se trata de un sistema cerrado, una hipótesis que es generalmente aceptada. (Clausius, Lord Kelvin, Helmholtz). Si el Universo no es un sistema cerrado, entonces ya no podemos decir nada.
Para aprender más sobre
El segundo principio de la termodinámica
La termodinámica estadística de Ludwig Boltzmann
Boltzmann, buscando la fuente de entropía en el mundo molecular, muestra que es absolutamente imposible rastrear los movimientos de las moléculas en detalle debido a su asombroso número; es esta falta de previsibilidad, esta incertidumbre, la que impone una dirección en el tiempo.
Boltzmann muestra que la degradación de la energía, medida por la entropía, está relacionada con el desorden del mundo molecular.
Para aprender más sobre
La termodinámica estadística
Creación de orden con un desorden creciente
La termodinámica nos enseña que el desorden aumenta, pero no hay nada que impida que en un momento dado se crean localmente áreas más ordenadas siempre que el desorden en cantidades al menos equivalentes aparezca en otra parte del sistema. El segundo principio lo permite.
Las estructuras disipativas de Ilya Prigogine
Una profunda enseñanza de la termodinámica no lineal es, por lo tanto, la creación de orden en los sistemas disipatives que se alejan de su equilibrio inicial. Las irreversibilidades llevan al desorden pero también pueden conducir al orden.
Estas estructuras ordenadas se obtienen generalmente después de pasar por bifurcaciones y zonas caóticas.
Prigogine, en particular, destacó estas estructuras auto-organizadas que nacen lejos del equilibrio. Las llamó estructuras disipativas, asociando así las dos nociones de orden y desorden. Se mantienen por los intercambios con su entorno y se debilitan después de cierto tiempo antes de desaparecer.
¿Por qué tenemos que esperar miles de millones de años, después del Big Bang, para alcanzar el equilibrio final?
Esta otra pregunta fundamental está relacionada y complementa la pregunta de Leibniz.
Es el orden introducido en las estructuras disipativas lo que dificulta el retorno al equilibrio final y prolonga la vida del Universo.
Estas estructuras son creaciones ordenadas que pueden ser observadas en todas partes a nuestro alrededor: son los planetas, los peces, los árboles, en una sola palabra la creación.
Sin ellos, el retorno al equilibrio podría haber sido extremadamente rápido y acortando la duración del Universo.
Para aprender más sobre
las estructuras disipativas
La teoría de la información de Claude Shannon
Introducida por Clausius a escala macroscópica, la entropía demostró tener un origen microscópico y estadístico con Boltzmann.
La teoría de la información de Claude Shannon vincula la cantidad de información con la entropía.
La entropía de un sistema mide por un lado su desorden y por otro lado nuestra ignorancia sobre el comportamiento microscópico de este sistema.
Aumentar nuestro grado de información sobre un sistema es sinónimo de disminuir la entropía del sistema.
Conocemos toda la información de un sistema cuando tiene entropía nula; entonces estamos en un estado de orden absoluto.