Paradoja de la muerte térmica

Esta paradoja teórica va dirigida a la corriente entonces dominante de creencias en una visión clásica de un universo espíterno, según la cual su materia se postula como eterna y siempre reconocible como el universo. La paradoja de la muerte térmica del universo nace de un paradigma derivado de ideas fundamentales sobre el cosmos; es necesario cambiar el paradigma para resolver la paradoja.

La paradoja se basaba en el punto de vista mecánico rígido de la segunda ley de la termodinámica postulada por Rudolf Clausius y Lord Kelvin, según la cual el calor solo puede transferirse de un objeto más cálido a uno más frío. Señala: si el universo fuera eterno, como se afirma clásicamente, ya debería estar frío e isotrópico (sus objetos deberían tener la misma temperatura y la distribución de materia o radiación debería ser uniforme).^[4] Kelvin comparó el universo con un reloj que va cada vez más despacio, disipando energía constantemente en calor impalpable, aunque no estaba seguro de si se detendría para siempre (alcanzaría el equilibrio termodinámico). Según este modelo, la existencia de energía utilizable, que puede usarse para realizar trabajo y producir entropía, significa que el reloj no se ha detenido, ya que no se contempla una conversión de calor en energía mecánica (que Kelvin llamó escenario de universo rejuvenecedor).^[5][2]

Según las leyes de la termodinámica, cualquier objeto caliente transfiere calor a su entorno más frío, hasta que todo está a la misma temperatura. Para dos objetos a la misma temperatura, tanto calor fluye de un cuerpo como del otro, y el efecto neto es nulo. Si el universo era infinitamente antiguo, debió de haber habido tiempo suficiente para que las estrellas enfriaran y calentaran su entorno. Por tanto, todas partes deberían estar a la misma temperatura y no debería haber estrellas, o todo debería estar tan caliente como las estrellas. El universo debería así alcanzar, o tender asintomóticamente a, el equilibrio termodinámico, que corresponde a un estado en el que no queda energía libre termodinámica y, por tanto, no es posible realizar más trabajo: esta es la muerte térmica del universo, como predijo Lord Kelvin en 1852. La temperatura media del cosmos también debería tender asintóticamente al cero absoluto, y es posible que se alcance un estado de máxima entropía.^[6]

En febrero de 1862, Lord Kelvin utilizó la existencia del Sol y las estrellas como prueba empírica de que el universo no ha alcanzado el equilibrio termodinámico, ya que la producción de entropía y el trabajo libre aún son posibles, y existen diferencias de temperatura entre objetos. Hermann von Helmholtz y William John Macquorn Rankine ampliaron la obra de Kelvin poco después.^[2] Como hay estrellas y objetos fríos, el universo no está en equilibrio termodinámico, por lo que no puede ser infinitamente antiguo.

Ludwig Boltzmann propuso que nosotros y el universo de baja entropía que observamos somos, en realidad, una fluctuación térmica aleatoria en un universo de mayor entropía. Incluso en un estado cercano al de equilibro existirán fluctuaciones estocásticas en el nivel de entropía: las más comunes serían relativamente pequeñas, y darían lugar a pequeñas cantidades de orden, mientras que otras mayores, con sus mayores niveles de organización asociados, serían relativamente más raras; enormes fluctuaciones serían altísimamente improbables, pero esto puede explicarse por el enorme tamaño del universo y por la idea de que, si somos resultado de una fluctuación, hay un proceso de «selección» implícito:

Observamos este universo tan improbable porque tal improbabilidad es necesaria para que estemos aquí.

Más recientemente, los físicos Sean M. Carroll y Jennifer Chen plantearon la hipótesis de que el universo podría evitar una muerte térmica eterna mediante un túnel y fluctuaciones cuánticas aleatorias, dada la probabilidad distinta de cero del surgimiento de un nuevo Big Bang que cree un nuevo universo en aproximadamente ${\displaystyle 10^{10^{56}}}$ años.^[7]

Esta paradoja no existe en la cosmología del Big Bang. El modelo Lambda-CDM, que postulan que el universo comenzó hace aproximadamente 13.800 millones de años, no lo suficiente como para que el universo se acercara al equilibrio termodinámico. Algunas propuestas de refinamientos adicionales, denominadas inflación eterna, restauran la idea de Kelvin del tiempo infinito en la forma más compleja de un multiverso eterno y en expansión exponencial, en el que universos bebés mutuamente inaccesibles, algunos de los cuales se parecen al universo que habitamos, están naciendo continuamente.

Por otro lado en la cosmología del estado estacionario, suficiente cantidad de hidrógeno es regenerado continuamente como para permitir una densidad media constante e impedir la disminución de estrellas.

La paradoja de Olbers es otra paradoja que pretende refutar un universo estático infinitamente antiguo, pero solo encaja con un escenario de universo estático. Además, a diferencia de la paradoja de Kelvin, se basa en la cosmología más que en la termodinámica. El cerebro de Boltzmann también puede estar relacionado con el de Kelvin, ya que se centra en la generación espontánea de un cerebro (lleno de falsos recuerdos) a partir de fluctuaciones de entropía, en un universo que ha estado en estado de muerte térmica durante un tiempo indefinido.^[8]