Un nuevo estudio teórico ofrece una posible manera de abordar uno de los enigmas más difíciles de la física moderna: ¿Cómo produjo el universo galaxias, estrellas, planetas y vida siguiendo la segunda ley de la termodinámica?
La profesora Ginestra Bianconi, matemática de la Universidad Queen Mary de Londres, dirigió la investigación. Su trabajo examina si una teoría conocida como gravedad a partir de la entropía puede ayudar a explicar cómo surge la complejidad cósmica incluso cuando aumenta la entropía total del universo.
El rompecabezas de la entropía del universo
Einstein afirmó que “la segunda ley de la termodinámica ocupa una posición única entre las leyes de la naturaleza”, reflejando su opinión de que es uno de los principios más seguros y fundamentales de la física.
La segunda ley establece que la entropía total de un sistema aislado generalmente aumenta con el tiempo. La entropía a menudo se describe como una medida de desorden, aunque refleja más precisamente cómo se pueden distribuir la energía y la información dentro de un sistema.
Ese principio plantea un desafío importante para la cosmología. Los científicos generalmente piensan que el universo primitivo comenzó en un estado de baja entropía y avanzó constantemente hacia una entropía más alta. Al mismo tiempo, la materia se organizó en estructuras cada vez más elaboradas, desde galaxias y estrellas hasta planetas y organismos vivos.
Explicar cómo esta creciente complejidad puede coexistir con un aumento continuo de la entropía sigue siendo un problema sin resolver.
Una nueva visión desde la entropía a través de la gravedad.
En un artículo de investigación publicado examen físico dBianconi investigó el rompecabezas utilizando la gravedad a partir de la entropía (GfE), un enfoque propuesto para la gravedad cuántica.
La teoría utiliza ideas de la mecánica estadística para describir la gravedad como algo que surge de las propiedades microscópicas de la geometría del espacio-tiempo. En lugar de tratar la gravedad simplemente como una fuerza fundamental o curvatura del espacio-tiempo, GfE la vincula con la información y la entropía a nivel cuántico.
El análisis de Bianconi revela una diferencia potencialmente importante. Aunque la entropía total del universo aumenta con el tiempo, la cantidad de entropía por unidad de volumen disminuye a medida que el universo se expande.
Este comportamiento puede proporcionar una nueva forma de comprender cómo las estructuras organizadas pueden desarrollarse localmente sin violar la segunda ley de la termodinámica.
Los agujeros negros combinan gravedad y calor
El concepto de gravedad y termodinámica está profundamente entrelazado con el trabajo pionero de Jacob Bekenstein y Stephen Hawking en la década de 1970.
Sus hallazgos demostraron que los agujeros negros tienen entropía y pueden emitir radiación térmica. Estos hallazgos transformaron la comprensión científica de los agujeros negros y señalaron conexiones mucho más profundas entre el espacio-tiempo, la información, la gravedad y el calor.
La entropía y la gravedad crean esta relación amplia.
Según GfE, la gravedad surge de una tensión informativa entre la métrica del espacio-tiempo real y otra métrica producida por el campo de materia y la curvatura del espacio-tiempo. Una métrica es una estructura matemática utilizada para describir distancias y geometrías en el espacio-tiempo.
Esta interpretación se expresa a través del GfE Lagrangiano, que se define por la entropía relativa geométrica cuántica (QGRE) entre dos métricas.
Un posible vínculo con la energía oscura
A bajas energías y en el caso de una curvatura espacio-temporal débil, las ecuaciones de gravedad a partir de la entropía reproducen la relatividad general. Sin embargo, en situaciones más extremas las predicciones empiezan a divergir.
Más allá de este límite débil, las ecuaciones de GfE producen una contribución variable de energía oscura. A medida que este término evoluciona dinámicamente, potencialmente puede generar predicciones que los investigadores eventualmente podrán probar con observaciones cósmicas.
El estudio examina estos efectos termodinámicos en los espaciotiempos cosmológicos de Friedman-Robertson-Walker, un modelo matemático comúnmente utilizado para describir un universo que se expande uniformemente a grandes escalas.
Los resultados indican que los elementos geométricos locales del espacio-tiempo obedecen a una versión de la primera ley de la termodinámica. En esta descripción, la contribución emergente de la energía oscura sirve como energía interna, mientras que la entropía relativa geométrica cuántica (QGRE) representa la entropía local por unidad de volumen.
Las cantidades correspondientes a la temperatura y presión efectivas también surgen naturalmente de la teoría. En conjunto, estos resultados sugieren que el estado cuántico subyacente a la gravedad a partir de la entropía puede tener un carácter térmico intrínseco.
La expansión propaga la entropía por todo el espacio
El estudio también enfatiza la importancia del componente de volumen local determinado por la métrica del espacio-tiempo físico.
A medida que el universo se expande, su volumen aumenta. En el marco de GfE, ese volumen creciente da como resultado un aumento en la entropía total, incluso cuando el QGRE local disminuye gradualmente dentro de cada unidad de volumen.
En otras palabras, el universo en su conjunto puede contener más entropía cuando ésta está más ampliamente distribuida en el espacio. Este patrón termodinámico inusual puede ayudar a dilucidar cómo pueden surgir la formación y la complejación local.
La gravedad y el espacio-tiempo pueden ser termodinámicos
Los hallazgos apoyan la posibilidad de que la gravedad y el espacio-tiempo tengan fundamentos tanto informativos como termodinámicos.
Estas explicaciones pueden proporcionar nuevas formas de investigar las relaciones entre la gravedad, la teoría cuántica, la energía oscura, la evolución cósmica y el surgimiento de estructuras complejas.
La propuesta se encuentra en una etapa teórica temprana. Sin embargo, los investigadores dicen que podría contribuir a los esfuerzos por unificar la relatividad general, la termodinámica, la mecánica cuántica y la cosmología dentro de un marco integral.
“Este trabajo revela cómo la gravedad en la teoría de la entropía puede abordar la difícil cuestión de conciliar la segunda ley de la termodinámica con el surgimiento de la complejidad en nuestro universo. Estos resultados pueden abrir nuevas vías para investigar el antiguo problema de coordinar las bases de la invariancia cosmológica, la vida compleja y la estructura emergente de la dinámica gravitacional”, dijo el profesor Bianconi.
