¿Por qué la baja entropía del Big Bang requiere una explicación? (flecha cosmológica del tiempo)

He leído el libro de Sean Carrol. He escuchado a Roger Penrose hablar sobre "Before the Big Bang". Ambos se ofrecen a explicar el misterio de baja entropía, estado altamente ordenado, en el Big Bang.

Dado que la segunda ley de la termodinámica se considera una ley fundamental de la naturaleza, y dado que establece que en un sistema cerrado la entropía debe permanecer igual o aumentar, la entropía en el momento del Big Bang debe haber sido mucho menor de lo que es ahora. .

Asimismo, la flecha termodinámica fue explicada por Boltzmann en 1896 plasmada en S = k en ⁡ W que estaba inscrito en su lápida. W es el número de microestados distintos del sistema. Me parece que, trivialmente, este número será menor en el pasado que en el futuro, ya que la entropía obedece a la segunda ley. Esto determina la flecha termodinámica del tiempo.

¿Por qué necesitamos más explicación de una "ley fundamental"?

Veo que Lubos ha publicado este gran enlace sobre otra pregunta: "¿Es físicamente significativo hablar sobre la flecha del tiempo en otros universos?"--:"Robert Wald arxiv.org/abs/gr-qc/0507094 quien argumentó que la flecha termodinámica del tiempo, o la entrada baja del Universo primitivo, no puede tener un origen dinámico. – Luboš Motl 21 de enero a las 18:34" Muchas gracias, Lubos. No voy a discutir con Robert Wald.
Gracias, Gordon, por tus buenas contribuciones. Solo un enlace para que la gente simplemente haga clic: arxiv.org/abs/gr-qc/0507094
Todos estos argumentos giran en torno a la suposición de que el Universo es un sistema cerrado. Si abandonas esa suposición, todo el juego de pelota cambia. Entonces, uno tiene que considerar seriamente si esta suposición está justificada en primer lugar. Después de todo, no existen sistemas cerrados en el mundo que observamos. Ni siquiera los agujeros negros. ¿Por qué el Universo debería ser diferente?

Respuestas (3)

Este es un tema algo controvertido. Pero permítanme presentar las razones, según tengo entendido, por las que personas como Sir Penrose piensan así.
Sus argumentos son más o menos los siguientes:

  1. Las leyes microscópicas básicas de la física son perfectamente simétricas en el tiempo. No están sesgados en ninguna dirección de tiempo pasado o futuro.

  2. La segunda ley se deriva del hecho de que, dada una condición inicial de un sistema que no está en el estado más probable, tenderá a ir hacia el estado más probable por las mismas leyes microscópicas. Dado que el número de estados desordenados es mucho mayor, el sistema se volverá cada vez más desordenado con el tiempo. En consecuencia, su entropía aumentará hasta un valor máximo cuando el sistema llegue al equilibrio térmico.

  3. Dado que las leyes microscópicas son simétricas en el tiempo, también se puede hacer el mismo argumento hacia la dirección del tiempo pasado. Dada una condición inicial de un sistema que no está en el estado más probable, también debería ir hacia estados más desordenados (alta entropía) hacia el pasado. Eso es lo que nos dice la matemática de las leyes.

  4. Esto va en contra de nuestra experiencia. O bien todas las partes del universo que estamos observando (incluidos nuestros recuerdos del pasado) acaban de sufrir una ENORME fluctuación en este momento para dar la impresión de que hubo un pasado más ordenado (lo cual es una locura) O el sistema ya estaba aún más ordenado ( baja entropía) y más especiales en el pasado. Pero eso significa una fluctuación aún más grande. Este razonamiento nos llevará a concluir que en el momento del big bang el universo estaba extraordinariamente ordenado y muy especial. Debe ser tan especial que requiere explicación.

Los críticos suelen señalar que no es lo mismo predicción que retrodicción, olvidando que cuando se habla de la mismísima "flecha del tiempo" nadie puede decir con justificación cuál es predicción y cuál retrodicción. Aparte de eso, también es cuestionable si la segunda ley se puede aplicar de esta manera a todo el universo o no.

Vea el enlace al artículo de Robert Wald: arxiv.org/find/all/1/…
OT: (Fui a algunos de los Waldfest en 2006 con mi hijo... fue divertido.)
Acabo de leer el artículo y estoy de acuerdo con él. Estoy de acuerdo en que se requiere el carácter especial del big bang y no se pueden invocar teorías dinámicas como la inflación caótica para explicar el carácter especial, que asume que el universo comenzó con una condición inicial aleatoria.
@sbi Sí, Wald argumenta eso, pero el punto de publicar el enlace es que él tampoco sostiene que se conozca o quizás se requiera una explicación cosmológica. Dice que los argumentos cosmológicos se vuelven circulares y usa inflación y ejemplos antrópicos. En última instancia, dice que el universo llegó a existir en un estado especial, punto. Tiene un apéndice que dice que no está de acuerdo con Carrol y Chen. En mi opinión, Wald responde a la pregunta anterior que hice como "No lo hace". Sin embargo, está de acuerdo con usted sobre la inflación.
Bueno, lo dejaré con el artículo de Wald y no estaremos de acuerdo.

La cuestión clave es: para permitir la formación de galaxias y estrellas, el universo tuvo que comenzar en un estado extremadamente (pero no perfecto) homogéneo. El hecho de que las heterogeneidades iniciales fueran del tamaño de 1 parte en un trillón (en lugar de cero) es lo que es desconcertante.

Realmente no. Las fluctuaciones del vacío cuántico fueron infladas por el campo de inflación.
No estoy seguro de lo que estás comentando. ¿Está discutiendo que el universo inicial debe haber tenido una falta de homogeneidad muy pequeña pero distinta de cero?
No, no estoy discutiendo eso. estoy diciendo eso Las faltas de homogeneidad se debieron a fluctuaciones cuánticas de "1 parte en un tropecientos" (en oposición a cero). Cero sería desconcertante. Nada es inestable. Las fluctuaciones infinitesimales fueron alargadas por la inflación --- voilá, formación de galaxias.
La inflación aumentará la entropía. Entonces la entropía inicial tiene que ser aún más pequeña.
Sí. Estoy de acuerdo. ¿Asi que?. Como arriba, ver arxiv.org/find/all/1/…
@Gordon, ¡Wald argumentó todo lo contrario en el periódico! La inflación no puede explicar la flecha del tiempo. Ninguna teoría que asuma la aleatoriedad inicial puede hacerlo. Ese era su punto.
@sbi Sí, Wald argumenta eso, pero el punto de publicar el enlace es que él tampoco sostiene que se conozca o quizás se requiera una explicación cosmológica. Dice que los argumentos cosmológicos se vuelven circulares y usa inflación y ejemplos antrópicos. En última instancia, dice que el universo llegó a existir en un estado especial, punto. Tiene un apéndice que dice que no está de acuerdo con Carrol y Chen.
@Gordon: Wald está equivocado. La inflación en la imagen de parche causal físicamente adecuada produce condiciones iniciales de baja entropía, como explica Davies.
Esto no responde a la pregunta y no tiene sentido. Un big bang de máxima entropía habría sido uno en el que los grados de libertad de las ondas gravitacionales estuvieran en equilibrio con los otros grados de libertad.

Porque esto viola la suposición de que todos los estados deberían ser igualmente probables.

La baja entropía del Big Bang conduce a la segunda ley de la termodinámica, y no al revés.

De hecho, como había demostrado Boltzmann, para casi todos los estados obligados a tener una descripción macroscópica dada en un momento dado, la entropía aumentará tanto hacia el pasado como hacia el futuro. Para que la entropía haya estado disminuyendo continuamente a medida que retrocedemos al pasado durante miles de millones de años, se requiere una increíble cantidad de ajustes finos en las correlaciones entre casi todas las partículas en el presente.

Todavía no sigo (de acuerdo). Estoy de acuerdo en que las condiciones iniciales conducen a la segunda ley, pero es un poco una tautología.
Lo que conduce a la segunda ley y la flecha es la diferencia de entropía entre entonces y ahora. No veo cuán increíble se requiere un ajuste fino. Si (digamos) el universo comenzó como una burbuja (digamos, el modelo de inflación eterna de Linde), debe comenzar en un estado altamente ordenado, y la inflación puede explicar el ajuste fino. ¿O no?
Es decir, ¿"la correlación entre casi todas las partículas en el presente" podría explicarse por la inflación eterna?
(El -1 no era yo :))
Creo que se necesitarían muchos ajustes para comenzar con la inflación eterna, pero una vez que tengamos la inflación eterna, continuará indefinidamente.
¿Por qué la baja entropía del Big Bang requiere una explicación? (flecha cosmológica del tiempo)
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