una varietà di volte dal Big Bang. L’entropia è sempre aumentata. NASA, ESA, e A. Feild (STScI)
La seconda legge della termodinamica è una di quelle sconcertanti leggi della natura che emerge semplicemente dalle regole fondamentali. Essa dice che l’entropia, una misura del disordine nell’Universo, deve sempre aumentare in qualsiasi sistema chiuso. Ma come è possibile che il nostro Universo oggi, che sembra essere organizzato e ordinato con sistemi solari, galassie e intricate strutture cosmiche, sia in qualche modo in uno stato di maggiore entropia rispetto a quello subito dopo il Big Bang? Questo è quello che il nostro sostenitore Patreon Patrick Dennis vuole sapere:
La comprensione comune dell’entropia e del tempo implica uno stato a bassissima entropia subito dopo il Big Bang. Eppure, quel momento è spesso descritto come una “zuppa” di fotoni, quark ed elettroni, qualcosa che, in confronto agli esempi dei libri di testo quotidiani, sembra molto alto in termini di entropia…. In che modo quello stato primordiale è a bassa entropia?
La freccia termodinamica del tempo implica che l’entropia sale sempre, quindi è meglio che sia più grande oggi che in passato.
Eppure, se pensiamo al primissimo Universo, sembra proprio uno stato ad alta entropia! Immaginatelo: un mare di particelle, tra cui materia, antimateria, gluoni, neutrini e fotoni, che sfrecciano ad energie miliardi di volte superiori a quelle che persino l’LHC può ottenere oggi. Erano così tanti – forse 10^90 in totale – tutti stipati in un volume piccolo come un pallone da calcio. Proprio nell’istante del Big Bang caldo, questa piccola regione con queste particelle tremendamente energetiche sarebbe cresciuta nel nostro intero Universo osservabile nei successivi 13,8 miliardi di anni.
oggi, ha subito un’enorme quantità di crescita ed evoluzione, e continua a farlo. NASA / CXC / M.Weiss
Quasi chiaramente, l’Universo oggi è molto più freddo, più grande, più pieno di struttura e non uniforme. Ma possiamo effettivamente quantificare l’entropia dell’Universo in entrambi i tempi, al momento del Big Bang e oggi, in termini di costante di Boltzmann, kB. Al momento del Big Bang, quasi tutta l’entropia era dovuta alla radiazione, e l’entropia totale dell’Universo era S = 1088kB. D’altra parte, se calcoliamo l’entropia dell’Universo oggi, è circa un quadrilione di volte più grande: S = 10103kB. Mentre entrambi questi numeri sembrano grandi, il primo numero è decisamente a bassa entropia rispetto al secondo: è solo lo 0,0000000000001% più grande!
Più agglomerato e generatore di luce stellare di quanto lo fosse il primo universo. Allora perché l’entropia è così diversa? ESA, NASA, K. Sharon (Tel Aviv University) e E. Ofek (Caltech)
C’è una cosa importante da tenere a mente quando parliamo di questi numeri, però. Quando sentite parlare di termini come “una misura del disordine”, questa è in realtà una descrizione molto, molto povera di ciò che l’entropia è in realtà. Immaginate, invece, di avere un sistema qualsiasi: materia, radiazione, qualsiasi cosa. Presumibilmente, ci sarà un po’ di energia codificata lì, che sia cinetica, potenziale, energia di campo o qualsiasi altro tipo. Ciò che l’entropia misura effettivamente è il numero di possibili disposizioni dello stato del tuo sistema.
a sinistra e lasciato evolvere diventerà spontaneamente il sistema a destra, guadagnando entropia nel processo. Wikimedia Commons users Htkym and Dhollm
Se il vostro sistema ha, diciamo, una parte fredda e una calda, potete sistemarlo in meno modi che se il tutto fosse alla stessa temperatura. Il sistema in alto a sinistra è un sistema a bassa entropia rispetto a quello a destra. I fotoni nel fondo cosmico a microonde hanno praticamente la stessa entropia oggi come quando l’Universo è nato. Questo è il motivo per cui si dice che l’Universo si espande adiabaticamente, cioè con un’entropia costante. Mentre possiamo guardare le galassie, le stelle, i pianeti, ecc. e meravigliarci di quanto siano ordinati o disordinati, la loro entropia è trascurabile. Allora cosa ha causato questo tremendo aumento di entropia?
con, ma è cresciuto fino ad acquisire nel tempo. Ora dominano l’entropia dell’universo. Ute Kraus, gruppo di educazione fisica Kraus, Universität Hildesheim; Axel Mellinger (background)
La risposta sono i buchi neri. Se si pensa a tutte le particelle che vanno a formare un buco nero, è un numero enorme. Una volta che si cade in un buco nero, si arriva inevitabilmente ad una singolarità. E il numero di stati è direttamente proporzionale alle masse delle particelle nel buco nero, quindi più buchi neri si formano (o più massicci diventano i buchi neri), più entropia si ha nell’Universo. Il buco nero supermassiccio della Via Lattea, da solo, ha un’entropia che è S = 1091 kB, circa un fattore 1.000 in più dell’intero Universo al Big Bang. Dato il numero di galassie e le masse dei buchi neri in generale, l’entropia totale oggi ha raggiunto un valore di S = 10103 kB.
buco nero al centro della nostra galassia: Sagittarius A*. Ha una massa di circa quattro milioni di Soli… e un’entropia circa 1000 volte quella dell’intero Big Bang. Raggi X: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI
E questo non farà che peggiorare! Nel lontano futuro, si formeranno sempre più buchi neri, e i grandi buchi neri che esistono oggi continueranno a crescere per circa i prossimi 1020 anni. Se si trasformasse l’intero Universo in un buco nero, raggiungeremmo un’entropia massima di circa S = 10123 kB, o un fattore di 100 quintilioni maggiore dell’entropia di oggi. Quando questi buchi neri decadono su scale temporali ancora più grandi – fino a circa 10100 anni – l’entropia rimarrà quasi costante, poiché la radiazione di corpo nero (Hawking) prodotta dai buchi neri che decadono avrà lo stesso numero di possibili disposizioni di stato del buco nero precedentemente esistente.
ed evaporano grazie alla radiazione di Hawking. È qui che si verifica la perdita di informazione, poiché la radiazione non contiene più l’informazione una volta codificata sull’orizzonte. Illustrazione della NASA
Perché il primo universo era così a bassa entropia? Perché non aveva buchi neri. Un’entropia di S = 1088 kB è ancora un valore tremendamente grande, ma è l’entropia dell’intero Universo, che è quasi esclusivamente codificata nella radiazione residua (e, in misura leggermente minore, nei neutrini) del Big Bang. Poiché la “roba” che vediamo quando guardiamo l’Universo, come le stelle, le galassie, ecc., ha un’entropia trascurabile rispetto a quel fondo residuo, è facile ingannare noi stessi nel pensare che l’entropia cambi significativamente quando si forma la struttura, ma questa è solo una coincidenza, non la causa.
l’Universo per formare la sua primissima stella e il suo primo buco nero. Finché ciò non è accaduto, l’entropia dell’Universo, con una precisione superiore al 99%, è rimasta invariata. NASA/CXC/CfA/R. Kraft et al.
Se non esistessero i buchi neri, l’entropia dell’Universo sarebbe stata quasi costante negli ultimi 13,8 miliardi di anni! Quello stato primordiale aveva in realtà una notevole quantità di entropia; è solo che i buchi neri ne hanno molta di più, e sono così facili da creare da una prospettiva cosmica.
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