La ley del aumento de entropía: ¿Por qué se llama ley física de la desesperación?

Después de Newton, muchos físicos, como Maxwell, Planck, Einstein, Bohr, Dirac, Feynman y Schrödinger, descubrieron una serie de nuevas leyes físicas que cambiaron enormemente la comprensión humana del mundo. No sólo eso, los humanos han utilizado las leyes de la física para desarrollar la civilización científica y tecnológica moderna, lo que ha cambiado por completo la vida humana.

Sin embargo, si bien las leyes de la física benefician a la humanidad, hay una ley física que trae desesperación a la humanidad, hasta el punto de que algunos físicos se sienten inferiores a sí mismos y preferirían no descubrirla. Esta ley indica que el universo conducirá inevitablemente a una destrucción irreversible. Es la ley del aumento de entropía. Entonces, ¿de dónde viene la ley del aumento de entropía?

Esto también comienza con el desarrollo de la termodinámica. Un gran número de experimentos han demostrado que la energía se conserva. No aparecen ni desaparecen de la nada, sino que sólo cambian entre diferentes formas. Esta es la ley de conservación de la energía, también conocida como primera ley de la termodinámica. El nacimiento de esta ley acabó con la máquina de movimiento perpetuo que puede realizar un trabajo sin consumir energía.

Después de eso, imaginó construir otra máquina de movimiento perpetuo que pudiera absorber calor de la naturaleza y luego impulsar la máquina para realizar un trabajo sin violar la ley de conservación de la energía. Sin embargo, no importa cuánto lo intentemos, este tipo de máquina de movimiento perpetuo no se ha creado porque todavía existen leyes desconocidas de la termodinámica en funcionamiento.

En 1824, el físico Carnot descubrió que el calor no se puede convertir completamente en energía, y su eficiencia térmica está directamente relacionada con la diferencia de temperatura entre las fuentes de calor de alta y baja temperatura. Para describir cuantitativamente la disipación de energía de las máquinas térmicas, Clausius introdujo una entropía constante en 1865.

La entropía puede representar la cantidad de energía inútil. Cuanto más energía inútil, mayor es la entropía; más energía útil, menor es la entropía. Durante el funcionamiento de un motor térmico se generará calor inútil, como el calor generado por la fricción entre estructuras mecánicas, que no se puede aprovechar para realizar trabajo, y aumentará la entropía del sistema.

Se puede ver que la conversión y transferencia de energía son direccionales. El calor de una fuente de calor de baja temperatura no se transferirá espontáneamente a una fuente de calor de alta temperatura, y el calor no se puede convertir completamente en trabajo de forma espontánea. . Por lo tanto, el valor de la entropía será cada vez mayor y es irreversible. Ésta es la ley del aumento de entropía, que también es la segunda ley de la termodinámica, que muestra que el segundo tipo de máquina de movimiento perpetuo también es imposible de realizar.

En 1877, el físico Boltzmann amplió aún más el concepto de entropía. Descubrió que la entropía de un sistema está relacionada con el número de sus microestados. Si el número de microestados en el sistema es mayor, significa que el sistema es más caótico y el valor de entropía es mayor. El grado de orden de un sistema sólo será cada vez más bajo espontáneamente, y la entropía aumentará gradualmente.

Entonces, ¿por qué la ley del aumento de entropía es tan especial? ¿Por qué puede predecir el fin del universo?

Para otras leyes físicas, todas son simétricas respecto del tiempo. No importa si el tiempo avanza o retrocede. Por ejemplo, una pequeña pelota cae libremente desde el aire al suelo. Si se lanza una pelota verticalmente hacia arriba desde el suelo con la misma velocidad con la que llega al suelo, la pelota alcanzará su altura original.

Pero la ley del aumento de entropía es muy especial. La entropía sólo puede aumentar. El agua y el etanol no se separan espontáneamente después de mezclarse, y el vidrio no puede recuperarse automáticamente después de romperse. La ley del aumento de entropía muestra que el tiempo fluye en una única dirección y sólo puede fluir hacia adelante. Esto es algo que la física de Newton y Einstein no puede explicar. No sólo eso, esta ley también marca el fin del universo.

El universo nació en un estado de baja entropía hace 65.438 millones de años. A medida que el universo evoluciona, el grado de desorden aumenta cada vez más, la energía útil se consume gradualmente y la entropía del universo continúa aumentando. Aunque hay muchas estructuras ordenadas y cuerpos de baja entropía en el universo, como estrellas, galaxias y vida en la Tierra, incluidos los humanos, todos necesitan consumir la energía útil del universo para mantener un estado de baja entropía, por lo que la entropía de todo el universo aumentará en general.

Así que desde la formación del universo, está destinado a evolucionar en la dirección de maximizar la entropía. Con el tiempo, los planetas se saldrán de sus órbitas originales y se desintegrarán, los átomos se desintegrarán, los protones se desintegrarán y los agujeros negros se evaporarán, dejando sólo fotones y leptones.

Tarde o temprano, el universo entrará en un estado de máxima entropía con el mayor grado de desorden y agotamiento de la energía útil. Este es el fin del silencio térmico. El tiempo estimado es dentro de 10 1000 años. Por supuesto, este tiempo es muy largo para los humanos diminutos y todavía tenemos tiempo suficiente para mantener un estado de baja entropía.