¿La muerte por calor es reversible por fluctuaciones térmicas o cuánticas dado un tiempo infinito?

La respuesta a esto es "no lo sabemos".

Los casos que está describiendo son los extremos de los modelos que estamos usando. Vienen juntos ligeramente no alineados. La verdad real es que la ciencia seguirá apuñalando estos modelos, tratando de alinearlos mejor al descubrir efectos que no conocemos.

Si tuviera que adivinar cuál de nuestros modelos es el "correcto" y apostar, apostaría todo lo que tengo a "ninguno de los anteriores". Cuando empiezas a hablar de modelar el cosmos a esa escala, es casi 100% seguro que las teorías tendrán que cambiar para adaptarse a la nueva evidencia. ¡Eso es lo que hace que la ciencia sea emocionante!

Habiendo dicho todo eso, puede valer la pena señalar que las "leyes de la termodinámica" son en realidad las leyes de la termodinámica de equilibrio . Gobiernan lo que sucede cuando un sistema en equilibrio se mueve a otro equilibrio. Si todo está en un flujo cuántico continuo que podría causar grandes explosiones en cualquier momento (por más probable que sea), ¡seríamos tontos si decimos que estamos en equilibrio! En realidad, existe un campo llamado termodinámica de no equilibrio.. A diferencia de su prima del equilibrio, la termodinámica del no equilibrio no supone que las cosas puedan configurarse como estructuras homogéneas que están en equilibrio dentro de sí mismas. Por lo general, llegan a respuestas generalmente similares (después de todo, esto es ciencia, y las pruebas experimentales eliminarán una de cualquier par de teorías que predicen resultados diferentes). Sin embargo, comienzan a diferir a medida que exploras los extremos. Determinar experimentalmente cuál es el correcto puede ser imposible, ¡porque puede tomar todo el tiempo que queda en el universo solo para hacer la prueba!
Están de acuerdo en que cualquier sistema cuyo estado se aproxime a uno que pueda describirse como que tieneequilibrios, demostrará la termodinámica del equilibrio en escalas locales. Esto a menudo puede explicar una amplia gama de escenarios de no equilibrio. Por ejemplo, la estabilidad de la pólvora dentro de una munición se describe muy bien considerando que la pólvora se encuentra en un equilibrio local. Aplique una cantidad de energía y descargará la bala, según las leyes de entropía que espera de la termodinámica de equilibrio. Sin embargo, aplica una pequeña cantidad de energía y la pólvora puede comportarse de formas que no esperabas. Por ejemplo, ¿conocías las quemaduras con pólvora ? No explota cuando lo enciendes. Tienes que contener la quemadura en un volumen pequeño (como lo hacemos en un arma) antes de que la reacción cambie a una explosión. Nonequilibirum thermodynamcis hace un buen trabajo al predecir ambos comportamientos.

Entonces, la pregunta que importa para su pregunta es si el universo contiene regiones que no están bien modeladas localmente como si estuvieran en equilibrio. Si todas las regiones están bien modeladas como tales, entonces la termodinámica de equilibrio modelará bien el universo y veremos la muerte por calor. Sin embargo, si no puede hacer esta afirmación, entonces la respuesta es más complicada, y tal vez esas fluctuaciones cuánticas, que nunca están en equilibrio, pueden desencadenar algo.

Personalmente, no tengo la intención de esperar la respuesta.$10^{10^{10^{56}}}$años es mucho tiempo. Esperar eso sería como ver cómo se seca la pintura...

... bueno, no del todo. ¡Sería mucho peor que eso!

La respuesta corta: sí.

La respuesta más larga: el problema con preguntas como estas no es que sean filosóficas (no lo son). Dada una teoría particular del universo, tu pregunta tiene una respuesta bien definida. El problema es que no se puede considerar que una sola teoría sea aplicable a estos períodos de tiempo. Por ejemplo: es bien sabido que si consideramos un universo mecánico (es decir, clásico a la Newton) que además es finito en extensión, que no sólo es probable que las fluctuaciones eventualmente disminuyan la entropía, es una certeza . Esto se llama recurrencia de Poincaré.: el universo es cíclico. Por supuesto, incluso si uno viviera en tal universo, la cantidad de años que tendría que esperar para ver tal recurrencia es absolutamente ridícula. Sin embargo, dada una cantidad infinita de tiempo, sucederá. Pero hay una cuestión más profunda: la mecánica clásica nunca será una descripción adecuada en escalas de tiempo arbitrariamente largas. De manera similar, para una descripción cuántica de nuestro universo: en cierto modo, es "obvio" que, dada la presencia de fluctuaciones, cualquier cosa que haya sucedido una vez puede volver a suceder. El problema no es solo que es muy poco práctico, sino que para creer tal predicción, tienes que confiar en la teoría con una precisión que es completamente injustificada.

Por supuesto, también hay personas que se han preguntado si existe una razón para creer en un universo cíclico sin recurrir a las fluctuaciones. Por ejemplo, en los últimos meses, la gravedad cuántica de bucles ha entrado en escena discutiendo exactamente eso (una versión del gran rebote).

Sin embargo, algunos intentan que funcione basándose únicamente en argumentos de fluctuación. En particular, está el trabajo de Roger Penrose ("Cycles of Time"). Si no recuerdo mal, allí trata de salirse con la suya con 'tener que esperar una cantidad infinita de tiempo para la fluctuación adecuada' argumentando que después de la muerte por calor, el universo es conformemente invariante, en cuyo caso no hay escala de tiempo ( es decir, NO existe una distinción sensata entre un segundo y una hora), por lo tanto, el tiempo infinito puede pasar en un tiempo finito y, por lo tanto, un nuevo universo surge a la existencia. Y en caso de que aún no lo hayas notado, Penrose es bastante increíble, así que si te gustan este tipo de cosas, definitivamente es una lectura recomendada.

De hecho, otra buena lectura (para obtener una comprensión general del razonamiento entrópico en escalas cosmológicas) es Road to Reality de Roger Penrose . Allí, por ejemplo, discute muy claramente (el punto de vista convencional) que el big bang no fue un período de gran entropía (como parece sugerir) sino más bien de una entropía increíblemente baja. Además subraya que este es uno de los mayores problemas no resueltos. (El problema es: ¿cómo llegó el universo a este estado? Por supuesto, las fluctuaciones conducen a una posible respuesta, y es posible que haya oído hablar del cerebro de Boltzmann en ese contexto).

Preguntas como la suya permiten a los no expertos como yo divagar, pero trataré de ser breve y coherente.

Creo que es vital recordar que solo podemos ver una pequeña parte del universo, y todavía tenemos mucho que aprender, por lo que me viene a la mente la historia de la cueva de Platón .

El artículo de wiki sobre esto establece la cantidad de años que tomaría una fluctuación cuántica aleatoria para tal vez recrear otro "big bang" y reiniciar el universo como $10^{5600}$.

No tengo idea de qué inició el big bang, pero si fue a través del proceso de una "flucuación cuántica", la figura de arriba, para mí (obviamente, esta es una opinión personal, ya que no existe evidencia con respecto al evento inicial), arrojaría dudas. en una fluctuación cuántica que causa el universo lo vivimos AHORA.

Entonces, podría estar involucrado algún otro proceso físico del que solo podemos aprender más cuando/si adquirimos un mayor conocimiento sobre 3 problemas que aún tenemos que resolver: la materia oscura, la energía oscura y el problema de la constante cosmológica.

Ahora, suponiendo que el "destino" de la muerte por calor es hacia donde se dirige el universo, alcanzando asintóticamente un equilibrio térmico, ¿permanecerá en un estado de equilibrio para siempre? o ¿la "flecha del tiempo" dejará de apuntar bruscamente hacia el futuro ya que la disminución de la entropía se vuelve más probable cuando se alcanza un estado de entropía casi máxima (supongo que aquí)?

No estoy seguro de lo que quiere decir con la flecha del tiempo apuntando con fuerza. Personalmente, creo, a partir de mi conocimiento muy limitado, que la idea de la muerte por calor se formuló hace mucho tiempo, y qué efecto tienen sobre esa idea los descubrimientos recientes sobre la energía oscura y la expansión acelerada, no lo sé. Estoy bastante seguro de que el consenso es que es probable que termine con una muerte por calor, según las leyes termodinámicas, pero todavía tenemos mucho que aprender sobre los problemas que describí anteriormente y eso podría permitirnos conjeturas más informadas en el futuro.

Finalmente, lo que quiero preguntar: ¿Es la realidad una transición de fase única de un potencial vago con grados de libertad máximos (big bang) a una realidad nítida con restricción máxima (muerte por calor) con tiempo asimétrico unidireccional o es cíclico infinito con simétrico? tiempo que se invierte (por medio de mecanismos altamente improbables, pero físicamente no imposibles) después de un período de tiempo finito?

No tengo absolutamente ninguna idea, todo lo que puedo hacer es recomendarle que lea sobre teorías como los "Ciclos del tiempo" de Penrose, cualquiera que sea la última teoría de Hawking sobre el tema del principio / fin del tiempo, Ekpyrotic Universe de Paul Steinhardt y Neil Turok o finalmente (pero ciertamente no exhaustivamente) Julian Barbours "The End of Time", en el que dice que el tiempo no existe en primer lugar (eso resolvería muchos problemas).

Si la física se basa en última instancia en la evidencia, lo que por supuesto es así, entonces debe ser, ya que carecemos gravemente de evidencia en muchas áreas que plantea su pregunta, que esta es una pregunta filosófica.

El estado final del universo comprende hipótesis cosmológicas, ya que es no observable. El principal determinante de esta tarifa (desde el artículo de wikipedia Destino final del universo ) es el factor de expansión, o la distancia promedio entre las galaxias a medida que el tiempo llega al infinito.

$D_{\infty} = \lim_{t\to\infty} \overline{D}$

Desde un punto de vista clásico, supongamos que permitimos que la entropía disminuya y que la masa-energía se conserve aproximadamente. Si la cantidad de masa-energía dentro del horizonte cosmológico desde cualquier punto de vista disminuye como$t \to \infty$, es decir, si$D_{\infty} > 1$, entonces incluso si toda la materia dentro de tal horizonte colapsara, uno no podría replicar exactamente el Big Bang observado: falta masa-energía.

Las condiciones clásicas de recurrencia de Poincaré son las siguientes:

1 Se puede establecer un límite superior finito en el volumen del espacio de fase potencialmente accesible total. Para un sistema mecánico, este límite se puede proporcionar al exigir que el sistema esté contenido en una región física limitada del espacio (de modo que no pueda, por ejemplo, expulsar partículas que nunca regresan); combinado con la conservación de la energía, esto bloquea el sistema en una región finita en el espacio de fases.

2 El volumen de fase de un elemento finito bajo dinámica se conserva. (para un sistema mecánico, esto está garantizado por el teorema de Liouville)

Esos claramente no pueden ser satisfechos si la distancia promedio entre partículas va a$0$, o si el número de partículas en el sistema disminuye.

No tengo suficiente conocimiento para responder sobre fluctuaciones cuánticas.

¿Es la realidad una transición de fase de un tiempo de un potencial vago con grados de libertad máximos (big bang) a una realidad nítida con restricción máxima (muerte por calor) con tiempo asimétrico y unidireccional o es un ciclo infinito con tiempo simétrico que se invierte a sí mismo (por medio de de mecanismos altamente improbables, pero físicamente no imposibles) después de un período finito de tiempo?

Por lo tanto, la hipótesis del ciclo infinito se basa en el factor de expansión. Creo que las mediciones actuales indican una expansión acelerada, lo que significaría que no, el universo no puede ser cíclico (dados los supuestos establecidos).