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Morte Térmica do Universo



           Nosso Universo possui cerca de 13,8 bilhões de anos de idade e teve um início hoje aceito como ´Big Bang´. E como sabemos que o nosso Universo teve um início? Como rejeitar a ideia de que ele não está por aí desde "sempre", ou seja,  que tenha uma idade infinita? Bem, é fácil justificar essa afirmação com duas observações. A primeira envolve o mistério que envolve a escuridão do nosso céu à noite (Por que o céu é escuro à noite?). Já a segunda lida com o simples fato de existir a 2° Lei da Termodinâmica. E é nessa lei onde a nossa Morte Térmica entra.


     2° LEI DA TERMODINÂMICA

          Primeiro, vamos entender um pouco a 2° Lei da Termodinâmica. Basicamente, essa lei nos dá a direção do fluxo de calor e nos diz que a transformação de trabalho mecânico em calor pode ser completa, mas que calor em trabalho precisa ser incompleta. Desse modo , todos os processos visíveis no Universo envolvem a conversão de pequenas quantidades de trabalho ou energia em calor, caracterizando-os como processos irreversíveis, com esse calor fluindo espontaneamente da fonte fria para a fonte quente. Aqui, entra também a entropia, a qual, dentro de um sistema isolado, estará sempre aumentando até chegar a um estado máximo, ou permanecer constante caso o sistema esteja, desde o início, em um equilíbrio termodinâmico ou estiver sob um processo reversível. E o Universo é um sistema isolado.
          A entropia, termo bastante familiar para muitos, pode ser entendida como o grau de desordem de um sistema analisado e está relacionada ao fato de que um sistema isolado espontaneamente evolui para um estado de equilíbrio termodinâmico. Sistemas tendem a se mover de um comportamento mais ordenado para um mais aleatório. Apesar do termo ser constantemente associado exclusivamente à ideia de desordem e caos, no ponto de vista quantitativo, levando em conta também uma interpretação estatística, a entropia é melhor descrita como uma medida de dispersão energética a uma determinada temperatura. Não dependendo do caminho seguido pelo sistema, a variação de entropia será a mesma se o estado final de um processo reversível e irreversível é o mesmo. Já se a variação de entropia for maior, o trabalho disponível diminui e a possibilidade de conversão de calor em trabalho diminui. Isso é resumido nas equações matemáticas abaixo. 

          Sem a presença de trabalho externo, a entropia dentro de um sistema isolado nunca diminui como um todo. Pode ser que algumas partes desse sistema tenham sua entropia diminuída, mas isso é compensado pelo aumento de entropia em outras partes. Em outros palavras, um sistema isolado tende ao equilíbrio termodinâmico (com temperatura homogênea em todo o sistema), onde, neste ponto, a entropia encontra o seu limite.  Aqui, então, podemos entrar com o conceito de Morte Térmica.

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     MORTE TÉRMICA

           A Morte Térmica é o fenômeno no qual todos os processo no Universo irão, eventualmente, parar, consequente da ação do fluxo temporal na entropia, ou seja, com esta cada vez crescente. Em maneira simples de entender, com bastante tempo, a energia irá ser distribuída de forma igual por todo o Universo, passando a inexistir fontes quentes e fontes frias para a realização de trabalho, ou seja, tudo terá a mesma temperatura. Quando o Universo alcançar seu estado de máxima entropia - estado de equilíbrio termodinâmico - nenhum trabalho será possível de ser realizado e toda a energia disponível será convertida em energia indisponível. Além disso, desde o momento do Big Bang, a temperatura média do Universo decresce constantemente. 10-43 segundos após o Big Bang, a temperatura era de 1032 K, mas agora ela é em torno de 2,73 K (1) na média. Ou seja, o Universo também está caminhando para o zero absoluto (0 K), sendo guiado pela entropia tendendo ao "infinito" (máxima). Por isso a Morte Térmica também é conhecida como o ´Grande Frio´.

 
          Caminhando para a entropia máxima, sobrarão apenas estrelas, que ainda poderão continuar liberando um fluxo de calor por bilhões de anos, até o seu combustível para fusão nuclear (Como são formados os elementos químicos?) se exaurir e elas morrerem. Caso a massa seja suficiente, a "morte" delas irá dar origem ou a uma estrela de nêutrons (O que é uma Estrela de Nêutrons?) ou a um buraco negro (O que é um Buraco Negro?). As estrelas de nêutrons irão se esfriar até atingir a temperatura do ambiente ao redor e só sobrarão os buracos negros e um tanto de matéria. Sem energia para o nascimento de novas estrelas, não existirá mais estrelas, galáxia ou vida. Os buracos negros começarão a sugar toda a matéria visível restante e, a partir de 10100 anos após o Big Bang, os próprios buracos negros começarão a "evaporar", devido à emissão da radiação de Hawking (1). Apenas escuridão irá reinar no Universo, marcando sua "morte". Esse seria o provável fim do nosso Universo, pelo menos do ponto de vista de qualquer tipo de vida que nele já existiu.

          Nesse sentido também fica fácil entender porque é tão óbvio a existência de um início para o Universo. Caso contrário, já estaríamos em uma Morte Térmica há muito tempo. Nesse início, a entropia do Universo era tão baixa que se torna algo além da compreensão. Tudo concentrado em uma singularidade, até a explosão na forma de Big Bang. E essa baixíssima entropia é que permite tudo que vemos hoje. Tudo está acontecendo enquanto consome esse baixo valor para um alto, ou seja, o contínuo aumento da entropia. Seu copo de café continua esfriando por  existir possibilidade de aumento da entropia. Nosso metabolismo corporal continua pelo mesmo motivo. Estrelas são permitidas de fundir seus átomos também pelo mesmo motivo. Mas caso o Universo encontre a sua Morte Térmica, a vida e a "visibilidade" do Universo deixarão de existir até o infinito do tempo ou para sempre.

 
     MITO SOBRE A MORTE TÉRMICA

         Algumas pessoas - e cientistas antigamente - acreditam que a expansão do Universo é responsável por grande parte do aumento da sua entropia, já que a expansão do espaço criaria novos estados para novas configurações da matéria, levando a um maior grau de desordem por probabilidade. Porém, a temperatura da radiação micro-ondas  do "pano de fundo" do Universo diminui na mesma intensidade à medida que o mesmo expande. Nesse sentido, o aumento de entropia devido a expansão é compensado pela diminuição da temperatura. Em outras palavras, essa expansão é adiabática e isentrópica, quase como na expansão adiabática e quasi-estática de um gás.

         A realidade é que o aumento de entropia no Universo é dado, principalmente, por processos que incluem o aquecimento gerado pelo colapso gravitacional de estrelas, conversão de energia nuclear em energia térmica nas estrelas e radiação térmica emanada, mais uma vez, por estrelas. Processos irreversíveis onde é gerado bastante calor que será distribuído para as vizinhanças e além.


     BIG CRUNCH?

         Uma outra possibilidade já considerada para o fim do Universo como o conhecemos viria na forma de uma super contração que devolveria novamente o estado de singularidade pré-Big Bang. Esse processo é conhecido como ´Big Crunch´ (´Grande Esmagamento´, na tradução). Nesse caso, a densidade da matéria total no Universo precisa ser alta, ou seja, maior do que a sua densidade crítica, o que faria com que a expansão estivesse sendo freada e seja, eventualmente, parada pelos efeitos gravitacionais da matéria. A partir desse ponto, toda essa matéria espalhada seria puxada para um ponto, fazendo o Universo entrar em colapso, o Big Crunch. Isso aconteceria se estivéssemos em um Espaço Esférico. Mas como já expliquei no artigo sobre a expansão do Universo (O que é a Expansão do Universo?), isso não parece ocorrer, sendo quase garantido que temos um Espaço Plano (hoje ideia aceita como um consenso no meio astronômico). Portanto, o Universo tenderá a se expandir por tempo infinito, e nunca irá contrair. Considerando tudo isso, a Morte Térmica é o que pode ocorrer, e não um Big Crunch.

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    SERIA POSSÍVEL IMPEDIR A MORTE TÉRMICA?

           Diversos trabalhos teóricos estão sendo feitos ou já foram publicados ao longo das últimas décadas tentando prever o desenvolvimento futuro do Universo. Para a Morte Térmica, em específico, talvez a única saída para contornar esse processo é se de alguma forma fosse possível conseguir algum método ou mecanismo no Universo que conseguisse criar mais átomos de hidrogênio de radiação eletromagnética ou Energia Escura, por exemplo, para fomentar novas estrelas. Com as reações nucleares de fusão dentro dessas novas estrelas em formação, calor passaria a fluir novamente no Universo. Isso poderia vir de algum evento natural no Universo do qual não conhecemos, ou poderia vir, interessantemente, de algo bastante complexo já bastante familiarizado de nós: a vida!

          Em 1979, o excepcional físico e matemático teórico Freeman Jonh Dyson, hoje com 93 anos, fez uma fascinante declaração: 
   

           Sob esse ponto de vista, não podemos entregar o futuro do nosso Universo apenas às leis naturais da termodinâmica. A inteligência dos seres vivos no Universo pode se tornar muito poderosa (se é que ela não é em alguma galáxia distante), o conhecimento acumulado ser muito grande (incluindo descobertas relacionadas ao funcionamento básico do Cosmos) e, consequentemente, a capacidade de manipular o Universo pode atingir níveis inimagináveis. Se hoje aqui na Terra os humanos estão trabalhando em meios para vencer a morte natural dos seus corpos, pode ser que em algum lugar sociedades alienígenas muito avançadas estão já trabalhando em meios para vencer a morte do próprio Universo.

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(1) K (Kelvin) é a medida oficial de temperatura usada nos cálculos científicos, especialmente na termodinâmica. Equivale ao °C (Celsius) subtraindo-se o valor de 273,5 na temperatura medida em Kelvin. Por exemplo, 298,5 K é o mesmo que 25°C.

(2) É uma radiação eletromagnética prevista pelas teorias de Stephen Hawking, a qual seria liberada aos poucos pelos buracos negros e gerada pela captura de pares de partículas-antipartículas criadas espontaneamente próxima do horizonte de eventos desses corpos (O que é um Buraco Negro?)

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REFERÊNCIAS CIENTÍFICAS
  1. http://physics.bu.edu/~duffy/py105/Secondlaw.html
  2. https://arxiv.org/ftp/physics/papers/0211/0211084.pdf
  3. https://www.researchgate.net/publication/299618320_Heat_Death_The_Ultimate_Fate_of_the_Universe
  4. https://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/compexp.html
  5. https://van.physics.illinois.edu/qa/listing.php?id=28957&t=entropy-in-universe-expansion
  6. https://www.mso.anu.edu.au/~charley/papers/LineweaverEganParisv2.pdf