Entropia: la forza invisibile che governa la morte dell’universo

Tutto cambia e ad alcuni di noi non sempre piace. Ma secondo una visione, l’entropia dell’universo e della natura in generale (cioè il grado di disordine o casualità in un sistema) può essere ciò che ha permesso la creazione della vita.

Secondo questa visione, quando un gruppo di atomi è guidato da una fonte esterna di energia, come il Sole, e circondato da una fonte di calore, come l’atmosfera, si ristrutturerà gradualmente in modo da dissipare sempre più energia. Da quel momento in poi, a determinate condizioni, la materia acquisirà inesorabilmente gli attributi associati alla vita.

Tuttavia, l’entropia è stata anche associata alla morte termica dell’universo.

Ecco tutto ciò che devi sapere sull’entropia in termodinamica e su come influenza l’universo e, in definitiva, noi.

Qual è l’entropia dell’universo?

Mentre non sono la stessa cosa in fisica, è in qualche modo utile per capire, confrontare la teoria del caos e come si riferisce alla entropia, e, infine, che effetto può avere l’entropia sull’universo.

Secondo la teoria del caos, all’interno dell’apparente casualità di sistemi caotici e complessi, ci sono schemi e interconnessioni sottostanti. Se si conoscono le condizioni iniziali e si individuano questi schemi sottostanti, è possibile prevedere le irregolarità che si verificheranno in futuro. In altre parole, il caos non è così caotico e casuale come potrebbe sembrare.

Nella sua forma più elementare, l’entropia è definita come la misura dell’energia termica in un sistema, per unità di temperatura, che non è disponibile per svolgere un lavoro utile.

Poiché il lavoro è ottenuto dal movimento molecolare ordinato, l’entropia è anche una misura del disordine molecolare, o casualità, di un sistema.

Non solo la fisica, ma molte discipline hanno trovato utile questo concetto, tra cui chimica, biologia, climatologia, sociologia, economia, teoria dell’informazione e persino economia. Ma atteniamoci alla fisica, e nello specifico, alle leggi fondamentali della termodinamica.

• La legge zero della termodinamica è la legge dell’equilibrio termico. Esprime che se due sistemi indipendenti sono in equilibrio termico con un terzo sistema, allora sono anche in equilibrio termico tra loro. Ciò significa che se A = B e B = C, allora A = C.  Questo è facilmente osservabile nella vita reale. Quando avvicini un bicchiere d’acqua fredda a un bicchiere d’acqua calda. Scambieranno calore attraverso la loro parete diatermica fino a raggiungere entrambi l’equilibrio termico con la temperatura della stanza.
• La prima legge della termodinamica è l’applicazione della legge di conservazione dell’energia ai processi termodinamici.La legge di conservazione dell’energia postula che l’energia non può essere creata o distrutta, ma solo trasformata o trasferita. Ciò avviene tramite lavoro e calore nel caso di un sistema termodinamico isolato. Ecco perché la formula del primo principio della termodinamica è ΔU = Q − W, dove ΔU è la variazione dell’energia interna del sistema, Q è il calore ad esso applicato e W è il lavoro che il sistema compie sul ambiente.
• La seconda legge della termodinamica è nota anche come legge dell’entropia perché introduce quel concetto come livello di disordine del sistema. È rappresentato con la lettera S. C’è una certa quantità di energia in ogni processo che non può essere convertita in lavoro. Invece, diventa calore. Il calore aumenta il disordine, o  entropia, di un sistema isolato. E poiché c’è sempre un certo grado di energia inutilizzabile che si trasformerà in calore, la seconda legge della termodinamica stabilisce che ci sarà sempre un aumento dell’entropia nei sistemi isolati. La variazione di entropia Δ S è uguale al trasferimento di calore Δ Q diviso per la temperatura T: Δ S = Δ Q / T.
• La terza legge della termodinamica afferma che l’entropia di un sistema si avvicina a un valore costante quando la temperatura si avvicina allo zero assoluto. Se la temperatura del sistema è zero assoluto (il limite più basso nella scala della temperatura termodinamica), anche l’entropia sarà zero.

Chi ha introdotto il concetto di entropia?

Nonostante le sue applicazioni in diverse discipline, il concetto di entropia ha le sue origini nella fisica. Mentre studiava la conservazione dell’energia meccanica nella sua opera Principi fondamentali di equilibrio e movimento (1803), il matematico francese Lazare Carnot propose che le accelerazioni e gli urti delle parti mobili in una macchina rappresentano “perdite del momento di attività“.

Il “momento di attività” di Carnot è paragonabile all’attuale concetto di lavoro in termodinamica. Per estensione, in ogni processo naturale esiste una tendenza intrinseca alla dissipazione dell’energia utile.

Altri scienziati hanno studiato questa “perdita” e durante l’ultima metà del 19° secolo hanno sottolineato che non si tratta di una vera perdita ma di una trasformazione. Questo è il concetto di conservazione dell’energia che ha aperto la strada alla prima legge della termodinamica. Scienziati come James Joule, Julius Mayer, Hermann Helmholtz e William Thompson (noto anche come Lord Kelvin) hanno prodotto lavori che esplorano questo concetto.

Ma il termine entropia è nato dal lavoro del fisico tedesco Rudolf Clausius, che oggi è considerato uno dei fondatori della termodinamica.

Nel 1850 presentò una dichiarazione della Seconda Legge della Termodinamica in riferimento a una pompa di calore. L’affermazione di Clausius ha sottolineato il fatto che è impossibile costruire un dispositivo che funzioni su un ciclo e non produca altro effetto che il trasferimento di calore da un corpo più freddo a un corpo più caldo.

Nel 1860 coniò la parola entropia dopo la parola greca per trasformazione, o punto di svolta, per riferirsi alla perdita irreversibile di calore. Lo descrisse come una funzione di stato in un ciclo termodinamico, in particolare il ciclo di Carnot, un ciclo teorico concepito dal figlio di Lazare Carnot, Sadi Carnot.

Negli anni 1870, il fisico e filosofo austriaco Ludwig Boltzmann reinventò e adattò la definizione di entropia alla meccanica statistica.

Più vicino a ciò che il termine implica ora, questo descrive l’entropia come la misurazione di tutti i possibili microstati in un sistema il cui stato macroscopico è stato studiato.

Come possono tutte le sue proprietà osservabili riorganizzare il sistema? In quanti modi? Queste domande comprendono il concetto di disordine, che è alla base di un concetto di entropia.

Questo si scrive con la formula S = k ln Ω, dove S è l’entropia, K è la costante di Boltzmann (1.38064852 × 10-23 m2 kg s-2 K-1) e è la quantità, il numero di possibili microstati.

L’universo è in uno stato di entropia?

Nel 19° secolo, Rupert Clausius dedusse anche che l’energia dell’universo è costante e che la sua entropia tende ad aumentare nel tempo.

Secondo il modello più ampiamente accettato per l’inizio dell’universo, tutto lo spazio e il tempo sono stati creati dal Big Bang, un evento avvenuto circa 13,8 miliardi di anni fa.

La teoria postula che prima di questo, l’universo fosse un punto molto piccolo, molto caldo, denso, simile a una singolarità, da cui è stata creata la totalità di tutto ciò che vediamo intorno a noi.

I cosmologi ritengono che questo punto sia poi “esploso” verso l’esterno, espandendosi e diffondendosi a una velocità superiore a quella della luce e generando tutte le particelle, le antiparticelle e le radiazioni nell’universo.

Sì, doveva esserci molta entropia perché ciò accadesse. Tuttavia, se pensiamo al continuo aumento di entropia che si è verificato in questi anni, possiamo dedurre che l’entropia dell’universo deve essere molto maggiore ora.

In effetti, l’entropia dell’universo oggi è stata calcolata pari a circa un quadrilione di volte rispetto a quella del Big Bang.

Per alcuni cosmologi, questo può essere spiegato con l’idea del tempo entropico. Poiché la seconda legge della termodinamica afferma che l’entropia di un sistema isolato può aumentare, ma non diminuire, l’entropia  richiede una particolare direzione per il tempo, talvolta chiamata freccia del tempo.

Pertanto, la misurazione dell’entropia è un modo per distinguere il passato dal futuro.

Perché l’entropia dell’universo sta  aumentando?

L’entropia dell’universo continuerà ad aumentare, ma cosa sta guidando esattamente questo aumento? Livelli rimanenti di radiazioni del Big Bang, fusioni nucleari nelle stelle… Ci sono molti processi che mantengono il flusso di energia, ma si pensa che i buchi neri siano i principali contributori a questo, a causa dell’enorme quantità di particelle che contengono.

I buchi neri hanno un’immensa concentrazione di massa che fornisce loro un campo gravitazionale eccezionalmente forte. Quindi consentono una molteplicità di microstati.

In questo contesto, Stephen Hawking ha teorizzato che i buchi neri emettono radiazioni termiche vicino ai loro orizzonti degli eventi. Questa radiazione di Hawking può portare alla perdita di massa e all’eventuale evaporazione dei buchi neri.

Ma ricorda che i buchi neri seguono ancora la seconda legge della termodinamica, che dice che l’entropia tenderà sempre ad aumentare. Quindi raccoglieranno più massa e si fonderanno con altri buchi neri, trasformandosi in buchi neri supermassicci. E quando alla fine decadranno, la  radiazione di Hawking prodotta dai buchi neri in decadimento avrà lo stesso numero di possibili disposizioni di stato del buco nero stesso precedentemente esistente.

Secondo questa visione, l’Universo primordiale aveva poca entropia a causa di un minor numero di buchi neri, o molto più piccoli.

C’è un limite all’entropia nell’universo?

 Per quanto si parli della tendenza all’aumento dell’entropia, le leggi della termodinamica implicano anche uno stato di massima entropia.

Nella vita di tutti i giorni, possiamo osservarlo quando il nostro caffè si raffredda nella sua tazza. Quando il caffè raggiunge la temperatura ambiente significa che ha trovato l’equilibrio termico con l’ambiente. L’acqua bollente usata per fare il caffè aveva molti atomi eccitati, ma questi rallentavano, fino a raggiungere la loro massima entropia per quel sistema.

L’equilibrio termodinamico è uno stato stazionario che non è reversibile senza “aiuto” – un input di energia.

Il caffè dovrebbe essere riscaldato aggiungendo energia, ad esempio mettendolo su un fornello o nel microonde. Tuttavia, non abbiamo alcun modo per immettere energia nell’universo una volta che ha raggiunto l’equilibrio termico. Alla fine, gli stessi valori saranno adottati ovunque.

Con una temperatura costante e stabile in tutto il cosmo, non ci sarebbe più energia per svolgere il lavoro, poiché l’entropia avrebbe raggiunto il suo livello massimo. Tutti questi postulati costituiscono la teoria della morte termica dell’universo.

Questa teoria è anche conosciuta come il Big Freeze perché, in questo scenario, l’entropia  dell’Universo aumenterà continuamente fino a raggiungere un valore massimo. In questo fatidico giorno, tutto il calore nel nostro universo sarà distribuito in modo completamente uniforme, senza lasciare spazio all’energia utilizzabile.

Tuttavia, questa è solo una teoria sul destino ultimo dell’universo. Altre teorie suggeriscono che l’energia contenuta nella materia oscura porterà l’universo a contrarsi ed a riscaldarsi nuovamente, portando a qualcosa di simile a un nuovo big bang.

L’entropia dell’universo può diminuire?

È sicuro dire che l’entropia è diminuita nell’universo ad un certo punto perché c’è un certo ordine in esso. Le interazioni gravitazionali possono trasformare le nebulose in stelle, per esempio. È una specie di ordine.

L’entropia può diminuire senza violare la seconda legge della termodinamica finché aumenta in altre parti del sistema. Dopotutto, la seconda legge della termodinamica non dice che l’entropia non può diminuire in certe parti del sistema, ma solo che l’entropia totale del sistema ha una naturale tendenza ad aumentare.

Detto questo, l’entropia complessiva dell’universo non diminuisce.

Come affermato sopra, l’entropia tenderà ad aumentare fino a raggiungere i suoi livelli massimi e porterà alla morte per  calore. Si tratta di uno stato stazionario di equilibrio termodinamico la cui entropia non solo è massima ma è anche costante, e rimarrà tale a meno che non ci sia un apporto energetico che riattivi il sistema.

Il ciclo potrebbe quindi ripetersi.

Con quella nuova energia aggiuntiva che fa lavoro, ci sarebbe una porzione di energia incapace di fare lavoro che si trasformerebbe in calore. Ciò aumenterebbe nuovamente l’entropia del sistema. Ma da dove verrebbe quell’energia? Cosa porterebbe i rimanenti leptoni e fotoni, se ce ne sono, ad interagire?

Tuttavia, non saremo lì per vedere alcuna parte di questo processo. Mentre può essere spaventoso pensare che tutta l’attività nell’universo cesserà un giorno, il che significa la fine del mondo, e tutto il resto, gli scienziati credono che la morte per calore avverrà in circa  10 ¹⁰⁰  anni. Così possiamo stare tranquilli ancora per un po’.