uma variedade de vezes desde o Big Bang. A entropia tem aumentado sempre. NASA, ESA, e A. Feild (STScI)
A segunda lei da termodinâmica é uma daquelas leis enigmáticas da natureza que simplesmente emerge das regras fundamentais. Ela diz que a entropia, uma medida da desordem no Universo, deve sempre aumentar em qualquer sistema fechado. Mas como é possível que o nosso Universo hoje, que parece estar organizado e ordenado com sistemas solares, galáxias e intrincada estrutura cósmica, esteja de alguma forma num estado de maior centralidade do que logo após o Big Bang? É isso que o nosso apoiante de Patreon Patrick Dennis quer saber:
O entendimento comum da entropia e do tempo implica um estado de muito baixa centralidade logo após o Big Bang. No entanto, esse momento é frequentemente descrito como uma “sopa” de fotões, quarks e electrões, algo que, em comparação com os exemplos dos manuais escolares do dia-a-dia, parece uma entropia…. muito elevada. Como é que esse estado primário é de baixa entropia?
A seta termodinâmica do tempo implica que a entropia sobe sempre, por isso é melhor que seja maior hoje do que era no passado.
radiação, e era tão quente e denso que os quarks e gluons presentes não se formavam em prótons e nêutrons individuais, mas permaneciam num plasma de quark-gluon. Colaboração RHIC, Brookhaven
E ainda assim, se pensarmos no Universo muito cedo, com certeza parece um estado de alta centralidade! Imagine-o: um mar de partículas, incluindo matéria, antimatéria, gluões, neutrinos e fotões, todos a chocalhar em energias biliões de vezes superiores às que até o LHC pode obter hoje em dia. Havia tantos deles – talvez 10^90 no total – todos amontoados em um volume tão pequeno quanto uma bola de futebol. Mesmo no instante do quente Big Bang, esta pequena região com estas partículas tremendamente energéticas cresceria em todo o nosso Universo observável durante os próximos 13.8 bilhões de anos.
dias de hoje, passou por uma enorme quantidade de crescimento e evolução, e continua a fazê-lo. NASA / CXC / M.Weiss
Quietos, o Universo hoje é muito mais frio, maior, mais cheio de estrutura e não-uniforme. Mas na verdade podemos quantificar a entropia do Universo em ambos os momentos, no momento do Big Bang e hoje, em termos da constante de Boltzmann, kB. No momento do Big Bang, quase toda a entropia era devida à radiação, e a entropia total do Universo era S = 1088kB. Por outro lado, se calcularmos a entropia do Universo hoje, ela é cerca de um quadrilhão de vezes maior: S = 10103kB. Enquanto estes dois números parecem grandes, o primeiro número é definitivamente de baixa centralidade em comparação com o segundo: é apenas 0,0000000000001% como grande!
mais agrupada, e gerando mais luz estelar do que o Universo primitivo era. Então porque é que a entropia é tão diferente? ESA, NASA, K. Sharon (Universidade de Tel Aviv) e E. Ofek (Caltech)
Mas há uma coisa importante a ter em mente quando falamos sobre estes números. Quando você ouve termos como “uma medida de desordem”, isso na verdade é uma descrição muito, muito pobre do que realmente é a entropia. Imagine, ao invés disso, que você tem o sistema que quiser: matéria, radiação, o que quer que seja. Presumivelmente, haverá alguma energia codificada ali, seja cinética, potencial, energia de campo ou qualquer outro tipo. O que a entropia realmente mede é o número de arranjos possíveis do estado do seu sistema.
à esquerda e deixado evoluir se tornará o sistema à direita espontaneamente, ganhando entropia no processo. Wikimedia Commons usuários Htkym e Dhollm
Se seu sistema tem, digamos, uma parte fria e uma parte quente, você pode arranjá-lo de menos maneiras do que se a coisa toda estiver na mesma temperatura. O sistema, acima, à esquerda, é um sistema de menor centropia do que o da direita. Os fótons no fundo do microondas cósmico têm hoje praticamente a mesma entropia que tinham quando o Universo nasceu. É por isso que as pessoas dizem que o Universo se expande adiabaticamente, o que significa com uma entropia constante. Embora possamos olhar para galáxias, estrelas, planetas, etc., e maravilhar-nos com o quão ordenadas ou desordenadas elas parecem ser, a sua entropia é insignificante. Então o que causou esse tremendo aumento de entropia?
com, mas tem crescido para adquirir com o tempo. Eles agora dominam a entropia do Universo. Ute Kraus, grupo de educação física Kraus, Universität Hildesheim; Axel Mellinger (fundo)
A resposta é buracos negros. Se você pensar em todas as partículas que vão para fazer um buraco negro, é um número tremendo. Uma vez que você cai em um buraco negro, você inevitavelmente chega a uma singularidade. E o número de estados é diretamente proporcional às massas das partículas no buraco negro, então quanto mais buracos negros você formar (ou quanto mais maciços seus buracos negros ficarem), mais entropia você terá no Universo. O buraco negro supermassivo da Via Láctea, sozinho, tem uma entropia que é S = 1091 kB, cerca de 1.000 a mais do que todo o Universo no Big Bang. Dado o número de galáxias e as massas de buracos negros em geral, a entropia total hoje atingiu um valor de S = 10103 kB.
buraco no centro da nossa galáxia: Sagitário A*. Tem uma massa de cerca de quatro milhões de Sóis… e uma entropia cerca de 1000 vezes maior do que a de todo o Big Bang. Raio-x: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI
E isto só vai piorar! No futuro distante, mais e mais buracos negros se formarão, e os grandes buracos negros que existem hoje continuarão a crescer pelos próximos 1020 anos. Se você transformasse o Universo inteiro em um buraco negro, nós alcançaríamos uma entropia máxima de aproximadamente S = 10123 kB, ou um fator de 100 quintilhões maior do que a entropia de hoje. Quando esses buracos negros se decompõem em escalas de tempo ainda maiores – até cerca de 10100 anos – essa entropia permanecerá quase constante, pois a radiação do corpo negro (Hawking) produzida pelos buracos negros em decomposição terá o mesmo número de arranjos de estado possíveis que o próprio buraco negro anteriormente existente.
e evapora graças à radiação Hawking. É aí que ocorre a perda de informação, já que a radiação não contém mais a informação uma vez codificada no horizonte. Ilustração da NASA
Então por que o Universo primitivo era tão de baixa centralidade? Porque não tinha nenhum buraco negro. Uma entropia de S = 1088 kB ainda é um valor tremendamente grande, mas é a entropia de todo o Universo, que é quase exclusivamente codificada na radiação restante (e, em uma extensão ligeiramente menor, neutrinos) do Big Bang. Como as “coisas” que vemos quando olhamos para o Universo como estrelas, galáxias, etc., tem uma entropia insignificante em comparação com aquele fundo restante, é fácil enganarmo-nos a nós mesmos para pensarmos que a entropia muda significativamente como formas de estrutura, mas isso é apenas uma coincidência, não a causa.
o Universo para formar a sua primeira estrela, e o seu primeiro buraco negro. Até que isso aconteceu, a entropia do Universo, com mais de 99% de precisão, permaneceu inalterada. NASA/CXC/CfA/R. Kraft et al.
Se não existissem buracos negros, a entropia do Universo teria sido quase constante durante os últimos 13,8 bilhões de anos! Esse estado primitivo realmente tinha uma quantidade considerável de entropia; é que os buracos negros têm muito mais, e são tão fáceis de fazer de uma perspectiva cósmica.
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