¿Por qué se dice que el Universo es un sistema aislado?

para yo)

Un sistema está aislado cuando no hay intercambio de energía con el entorno. Por ejemplo, se aísla el contenido de un matraz de vacío. En la práctica, hay un error en el parámetro de aislamiento, es decir, delta (energía), por lo que después de un tiempo se encontrará que el contenido está a temperatura ambiente. Los experimentos están diseñados para trabajar dentro de los errores.

El universo está por definición de la palabra aislado, porque contiene todo por definición, y por lo tanto no puede haber intercambio de energía con nada. Si pudiera existir, se contaría dentro del universo.

Ahora se pueden encontrar modelos donde el "universo" se define con algún error en este intercambio de energía. Incluso se especuló con otros tantos aislados, pero no habría forma de saberlo ya que no se intercambiaría energía.

para II)

Tiene que ver con la definición de entropía .

$P_i$es la probabilidad de que el sistema se encuentre en el i-ésimo microestado, y$k_B$es la constante de Boltzmann.

El número de microestados aumenta con el tiempo cuando hay intercambios de energía.

Para el universo aislado, los microestados aumentan con el tiempo porque tenemos evidencia experimental de que el universo se está expandiendo. A medida que aumenta el volumen, aumenta el número de microestados posibles

I) Si hay límites, ¿cómo podemos saber qué sucede allí con la entropía?

La forma preferida de pensar en el universo hoy en día es que no tiene límites. Pero no hay manera de estar seguro a menos que encontremos ese límite. Si nuestro universo estuviera encerrado dentro de un casco perfectamente rígido e impenetrable a todo, incluida la gravedad (pared de potencial infinito), sería un sistema aislado. Sin embargo, esto no parece probable.

y si no hay límites, ¿qué significa estar aislado?

Creo que la mejor manera de dar este significado es que el universo es un sistema que no interactúa con ningún cuerpo exterior a él. Según la definición del universo, no hay cuerpos exteriores a él, por lo que está aislado en este sentido.

Contrariamente al pensamiento común, esto no significa necesariamente que la energía del universo sea constante. Si el universo tiene infinitas dimensiones, la energía puede estar escapando al infinito o viniendo del infinito. Esto se expresaría matemáticamente de la siguiente manera: la integral de la densidad de corriente de energía$\mathbf R$sobre una simple superficie cerrada

no converge a 0 cuando la superficie se expande al infinito.

II) ¿Por qué no podía [la entropía] permanecer constante?

Entropía es una palabra que se usa demasiado mal. No está claro a qué entropía te refieres. La entropía termodinámica (también conocida como la entropía de Clausius) es un concepto aplicable al sistema termodinámico en estado de equilibrio termodinámico. No se aplica al universo, ya que no hay temperatura, no hay concepto de calor y no hay forma de preparar el estado de equilibrio del universo.

Hay otros significados para la palabra "entropía" y para ellos, puede haber una respuesta diferente. Pero debe aclarar a qué entropía se refiere.

Haces una muy buena pregunta. De hecho, como sugieres, la entropía de un sistema aislado puede permanecer constante o disminuir: depende de la naturaleza de su límite.

Lo que es correcto es que para cualquier subsistema que hayamos examinado, con cualquier límite que hayamos observado o que podamos (de manera realista) imaginar, la entropía del entorno + subsistema siempre debe aumentar.

Un ejemplo es la Tierra, que es esencialmente un sistema cerrado en el que la energía que recibe del espacio es virtualmente igual a la energía que irradia de regreso al espacio. Sin embargo, recibe energía de baja entropía (en forma de luz solar) e irradia energía de alta entropía. Con el tiempo, la entropía de la Tierra como subsistema no disminuye, y es esta circunstancia fortuita la que permite que la vida se sostenga en la Tierra durante largos períodos de tiempo, ¡mientras el Sol siga brillando! Sin embargo, la entropía del medio ambiente + Tierra aumenta con el tiempo.

¿Qué pasa con el universo mismo? El único límite del universo del que somos conscientes actualmente es el evento único que llamamos Big Bang. El Big Bang creó un universo en un estado de entropía fenomenalmente baja y, por lo que podemos afirmar, ha estado 'agotándose' desde entonces. Es debido a esta entropía fenomenalmente baja con la que se creó el universo que se han podido formar subsistemas estables como los planetas en los que estructuras muy complejas y de baja entropía (la vida) pueden formarse y mantenerse.

Este es un hecho muy curioso, que las condiciones de contorno en el universo son tales que un universo con una entropía tan fenomenalmente baja llegó a existir. ¿Qué hay del futuro? ¿Se repetirá este tipo de condición límite después de un eón de tiempo? ¿Existen otras condiciones límite, más sutiles y aún no observadas, que permitan que el universo sea autosuficiente, en un sentido termodinámico, durante largos períodos de tiempo? Esto, por supuesto, no se sabe en la actualidad.