La entropia i la vida

Enviat per Joaquim el dt., 12/09/2023 - 08:32


Les raons per creure en un origen explosiu de l'univers procedien inicialment d'un estudi teòric de l'equació d'Einstein en un context cosmològic, dut a terme per Alexandr Friedmann el 1922 .

Després, el 1929, Edwin Hubble va fer l'extraordinari descobriment que les galàxies llunyanes s'estan allunyant realment de nosaltres" d'una manera que semblava implicar que la matèria a l'univers era el resultat d'una tremenda explosió. Segons els càlculs moderns, l'explosió —ara anomenada el big-bang— va tenir lloc fa uns 14500 mil·lions d'anys .Les conclusions de Hubble es basaven en el fet que la llum procedent d'objectes que s'allunyen a gran velocitat està desplaçada cap al vermell (és a dir, que les línies espectrals estan desplaçades cap a «l'extrem vermell de l'espectre»,  cap a longituds d'ona més llargues) a causa de l'efecte Doppler. Va trobar que aquest desplaçament cap al vermell era sistemàticament més gran com més llunyana semblava estar la galàxia, cosa que indica una velocitat de recessió que és proporcional a la seva distància a nosaltres, compatible amb la imatge de l'«explosió».
Però la prova directa més impressionant de suport observacional per al big-bang és la presència universal d'una radiació que omple l'espai i que té una temperatura d'uns 2,7 ºK (2,7 ° per sobre del zero absolut ). Encara que aquesta pot semblar una temperatura extraordinàriament baixa per a un succés tan violent, es creu que aquesta radiació és realment el «centelleig» del propi big-bang, enormement atenuada («desplaçada cap al vermell») i refredada, a causa de la vasta expansió de l'univers. La radiació de 2,7 ºK té un paper d'extraordinària importància a la cosmologia moderna. Normalment se la coneix com el «fons (còsmic) de microones», o de vegades com la «radiació de cos negre de fons», o la radiació «relíquia còsmica». És extraordinàriament uniforme (aproximadament fins a una part en 10), cosa que indica que el propi univers primitiu era extraordinàriament uniforme immediatament després del big-bang, i està molt ben descrita pels models cosmològics que considerarem.
Intentem ara fer-nos una idea física de la naturalesa de la lligadura d'entropia extraordinàriament baixa en el big-bang que restringeix B a un volum tan minúscul.' Veurem que el que va ser tan especial al big-bang era en realitat la seva gran uniformitat, com acabem d'esmentar. Hem de tractar de comprendre per què això correspon a una entropia molt baixa, i com ens proporciona una segona llei que és rellevant per a nosaltres, aquí a la Terra, en la forma familiar que coneixem.
Considerem primer, una vegada més, el paper del Sol com una font de baixa entropia. Hi ha estesa una falsa idea que la nostra supervivència depèn de l'energia que subministra el Sol. Això és erroni, perquè aquesta energia sigui d'alguna utilitat per a nosaltres ha de proporcionar-se en una forma de baixa entropia. Si el cel sencer hagués estat uniformement il·luminat, per exemple, amb alguna temperatura uniforme —ja fos la del Sol o qualsevol altra cosa—, aleshores no hi hauria manera d'utilitzar aquesta energia (qualsevol que sigui el tipus de criatura que poguéssim imaginar que havia evolucionat per intentar aprofitar-la). Un subministrament d'energia en equilibri tèrmic és inútil. No obstant això, nosaltres tenim la força que el Sol és un punt calent en un fonda fred. Durant el dia, l'energia arriba a la Terra des del Sol, però durant el transcurs del dia i de la nit torna de nou a l'espai. El balanç net d'energia es redueix simplement (de mitjana) que tornem tota l'energia que rebem.
Tot i això, l'energia que obtenim del Sol està en forma de fotons individuals d'alta energia (bàsicament fotons grocs d'alta freqüència a causa de l'alta temperatura del Sol), mentre que la major part d'aquesta energia torna a l'espai en forma de fotons de baixa energia (infrarojos, baixa freqüència). (Aquesta relació per a l'energia del fotó se segueix de la fórmula de Planck E = hv i les seves idees sobre la radiació de cos negre..) A causa de la seva major energia (major temperatura), hi ha molts menys fotons procedents del Sol que fotons tornats a l'espai, perquè l'energia total transportada per ells és la mateixa quan entra que quan surt. El menor nombre de fotons del Sol significa menys graus de llibertat i, per tant, una menor regió de l'espai de fases i amb això una menor entropia que en els fotons tornats a l'espai. Les plantes fan ús d'aquesta energia de baixa entropia en la seva fotosíntesi, reduint amb això la seva pròpia entropia. que les plantes alliberen.
Però, per què és el Sol un punt calent en un cel fred? Tot i que la història detallada és complicada, en última instància es redueix al fet que el Sol —i totes les altres estrelles— s'han condensat gravitacionalment a partir d'un gas prèviament uniforme (com
 
Per tant, per l'E = de Planck, els fotons del Sol porten més energia per fotó que els que retorna la Terra, de manera que l'energia del Sol és transportada per menys fotons que la tornada per la Terra. Menys fotons significa menys graus de llibertat i, per tant, una menor regió a l'espai de fases i una entropia més baixa que als fotons retornats a l'espai. Les plantes fan ús d'aquesta energia de baixa entropia a la fotosíntesi, amb la qual redueixen la seva pròpia entropia, i nosaltres ens aprofitem de les plantes per reduir la nostra, menjant-les o menjant alguna cosa que les menja, i respirant l'oxigen que alliberen les plantes. Això procedeix, en última instància, d'un desequilibri a la temperatura al cel que va ser resultat de l'acumulació gravitatòria que va donar lloc al Sol. lloc principalment d'hidrogen). Qualssevol que siguin les altres influències presents (fonamentalment forces nuclears), i el Sol ni tan sols podria existir sense gravetat! La «petitesa» a l'entropia del Sol (a distància considerable de l'equilibri tèrmic) procedeix d'una enorme reserva de baixa entropia que està potencialment disponible a la uniformitat del gas a partir del qual el Sol s'ha condensat gravitatòriament.
La gravitació és una mica confusa, en relació amb l'entropia, a causa de la seva naturalesa universalment atractiva. Estem acostumats a pensar en l‟entropia en termes d‟un gas ordinari; en aquest cas, tenir el gas concentrat en petites regions representa baixa entropia (com en el cas del nostre recipient ), i l'estat d'alta entropia d'equilibri tèrmic correspon al gas uniformement dispers. Però amb la gravetat les coses tendeixen a ser d'una altra manera. Un sistema uniformement dispers de cosos gravitants tindria una entropia relativament baixa (a no ser que les velocitats dels cosos fosin enormement alts i/o els cosos siguin molt petits  i/o molt dispersos de manera que les contribucions gravitatòries seguin insignificats ), mentre que la entropia s'aconsegueix quan s'apilonen els cosos gravitants.
 

Què hi ha de l'estat de màxima entropia? Mentre que per a un gas l'estat de màxima entropia d'equilibri tèrmic correspon al gas uniformement dispers a la regió en qüestió, en el cas de grans cossos gravitants l'entropia màxima s'aconsegueix quan tota la massa es concentra en un lloc, en la forma d'una entitat coneguda com un forat negre. Haurem d'entendre alguna cosa d'aquests objectes estranys i meravellosos per poder avançar i obtenir una bona estimació de l'entropia potencialment disponible a l'univers en conjunt. Això ens permetrà estimar els volums requerits.

Tertúlies

Afegeix un nou comentari

HTML restringit

  • Etiquetes HTML permeses: <a href hreflang> <em> <strong> <cite> <blockquote cite> <code> <ul type> <ol start type> <li> <dl> <dt> <dd> <h2 id> <h3 id> <h4 id> <h5 id> <h6 id>
  • Les línies i paràgrafs es trenquen automàticament.
  • Les adreces web i de correu electrònic es transformen en enllaços automàticament.