La mort tèrmica de l'univers (també coneguda com el Gran Fred o la Gran Congelació)WMAP – Fate of the Universe, WMAP's Universe, NASA. Accessed online July 17, 2008. és una hipòtesi científica sobre el destí final de l'univers que postula que l'univers evolucionarà cap a un estat sense energia lliure termodinàmica i, havent assolit l'entropia màxima, per tant no podrà sostenir cap altre procés termodinàmic. La mort tèrmica no implica cap temperatura absoluta en particular; només requereix que les diferències de temperatura o altres processos ja no es puguin aprofitar per realitzar treball. En el llenguatge de la física, aquest és el moment en què l'univers arriba a l'equilibri termodinàmic.
Si la curvatura de l'univers és hiperbòlica o plana, o si l'energia fosca és una constant cosmològica positiva, l'univers continuarà expandint-se per sempre i s'espera que es produeixi una mort tèrmica, amb l'univers refredant-se fins a aproximar-se a l'equilibri a una temperatura molt baixa després d'un llarg període de temps.
La teoria de la mort tèrmica prové de les idees de Lord Kelvin que, a la dècada de 1850, va prendre la teoria de la calor com a pèrdua d'energia mecànica a la natura (tal com es plasma en les dues primeres lleis de la termodinàmica) i la va extrapolar a processos més grans a escala universal. Això també va permetre a Kelvin formular la paradoxa de la mort tèrmica, que refuta un univers infinitament antic.
Orígens de la idea La idea de la mort tèrmica prové de la segona llei de la termodinàmica, una versió de la qual afirma que l'entropia tendeix a augmentar en un sistema aïllat. A partir d'això, la hipòtesi implica que si l'univers dura un temps suficient, s'aproximarà asimptòticament a un estat on tota l'energia estigui distribuïda uniformement. En altres paraules, segons aquesta hipòtesi, hi ha una tendència a la natura cap a la dissipació (transformació d'energia) de l'energia mecànica (moviment) en energia tèrmica; per tant, per extrapolació, existeix la idea que, amb el temps, el moviment mecànic de l'univers disminuirà a mesura que el treball es converteixi en calor a causa de la segona llei.
La conjectura que tots els cossos de l'univers es refreden, i finalment es tornen massa freds per albergar vida, sembla que va ser proposada per primera vegada per l'astrònom francès Jean Sylvain Bailly el 1777 en els seus escrits sobre la història de l'astronomia i en la correspondència posterior amb Voltaire. Segons Bailly, tots els planetes tenen calor interna i es troben en algun estadi particular de refredament. Venus, per exemple, encara és massa calent perquè hi sorgeixi vida durant milers d'anys, mentre que Mart ja és massa fred. L'estat final, segons aquest punt de vista, es descriu com un estat d'"equilibri" en què tot moviment cessa.
La idea de la mort tèrmica com a conseqüència de les lleis de la termodinàmica, però, va ser proposada per primera vegada en termes generals a partir del 1851 per Lord Kelvin (William Thomson), qui va teoritzar més a fons sobre les opinions sobre la pèrdua d'energia mecànica de Sadi Carnot (1824), James Joule (1843) i Rudolf Clausius (1850). Els punts de vista de Thomson van ser elaborats durant la dècada següent per Hermann von Helmholtz i William Rankine.
Història La idea de la mort tèrmica de l'univers deriva de la discussió de l'aplicació de les dues primeres lleis de la termodinàmica als processos universals. Concretament, el 1851, Lord Kelvin va exposar el punt de vista, basat en experiments recents sobre la teoria dinàmica de la calor: "la calor no és una substància, sinó una forma dinàmica d'efecte mecànic, percebem que hi ha d'haver una equivalència entre el treball mecànic i la calor, com entre causa i efecte". miniatura|Lord Kelvin va originar la idea de la mort tèrmica universal el 1852. El 1852, Thomson va publicar *On a Universal Tendency in Nature to the Dissipation of Mechanical Energy*, en què va esbossar els rudiments de la segona llei de la termodinàmica, resumits per la idea que el moviment mecànic i l'energia utilitzada per crear aquest moviment tendiran naturalment a dissipar-se o esgotar-se.Thomson, Sir William (1852). "On a Universal Tendency in Nature to the Dissipation of Mechanical Energy" Proceedings of the Royal Society of Edinburgh for 19 April 1852, also Philosophical Magazine, Oct. 1852. This version from Mathematical and Physical Papers, vol. i, art. 59, pp. 511. Les idees d'aquest article, en relació amb la seva aplicació a l'edat del Sol i la dinàmica del funcionament universal, van atreure personalitats com William Rankine i Hermann von Helmholtz. Es diu que tots tres van intercanviar idees sobre aquest tema. El 1862, Thomson va publicar "Sobre l'edat de la calor del Sol", un article en què reiterava les seves creences fonamentals en la indestructibilitat de l'energia (la primera llei ) i la dissipació universal de l'energia (la segona llei), que conduïen a la difusió de la calor, la cessació del moviment útil (treball) i l'esgotament de l'energia potencial, "perduda irrecuperablement" a través de l'univers material, alhora que aclaria la seva visió de les conseqüències per a l'univers en conjunt. Thomson va escriure:
"El resultat seria inevitablement un estat de repòs i mort universals si l'univers fos finit i es deixés que obeís les lleis existents. Tanmateix, és impossible concebre un límit a l'extensió de la matèria a l'univers; per tant, la ciència apunta més aviat a un progrés infinit —a través d'un espai infinit— d'una acció que comporta la transformació d'energia potencial en moviment palpable i, consegüentment, en calor, que no pas a un mecanisme únic i finit que es va esgotant com un rellotge fins a aturar-se per sempre."
L'exemple del rellotge mostra com Kelvin no estava segur de si l'univers finalment assoliria l'equilibri termodinàmic. Thomson va especular més tard que restaurar l'energia dissipada en "vis viva" i després treball utilitzable per tant invertir la direcció del rellotge, donant lloc a un "univers rejovenidor" requeriria "un acte creatiu o un acte que posseís un poder similar". A partir d'aquesta publicació, Kelvin també va introduir la paradoxa de la mort tèrmica (paradoxa de Kelvin), que va desafiar el concepte clàssic d'un univers infinitament antic, ja que l'univers no ha aconseguit el seu equilibri termodinàmic, per la qual cosa encara és possible més treball i producció d'entropia. L'existència d'estrelles i les diferències de temperatura es pot considerar una prova empírica que l'univers no és infinitament antic.Laws of Thermodynamics Thompson and Clausius, Oxford University Press, 2015.
En els anys següents als articles de Thomson de 1852 i 1862, Helmholtz i Rankine van atribuir a Thomson la idea, juntament amb la seva paradoxa, però van aprofundir en els seus articles publicant punts de vista que afirmaven que Thomson argumentava que l'univers acabaria en una "mort tèrmica" (Helmholtz), que seria la "fi de tots els fenòmens físics" (Rankine).
Estat actual Les propostes sobre l'estat final de l'univers depenen de les suposicions fetes sobre el seu destí final, i aquestes suposicions han variat considerablement durant finals del segle XX i principis del segle XXI. En un univers teoritzat "obert" o "pla" que continua expandint-se indefinidament, s'espera que finalment es produeixi una mort tèrmica o un Big Rip. Si la constant cosmològica és zero, l'univers s'acostarà a la temperatura zero absolut durant un període de temps molt llarg. Tanmateix, si la constant cosmològica és positiva, la temperatura s'asímptotarà a un valor positiu diferent de zero i l'univers s'acostarà a un estat d'entropia màxima en què no és possible fer més treball.
La mort tèrmica termodinàmica és un concepte de física clàssica, però s'ha estès a la física quàntica. Fins i tot quan l'entropia termodinàmica ha arribat al seu màxim, altres quantitats com la complexitat dels circuits quàntics continuen augmentant, i finalment també arriben a un valor màxim.
Marge de temps per a la mort per calor La teoria suggereix que des del "Big Bang" fins a l'actualitat, es creu que la matèria i la matèria fosca de l'univers s'han concentrat en estrelles, galàxies i cúmuls de galàxies, i es presumeix que continuaran fent-ho en el futur. Per tant, l'univers no està en equilibri termodinàmic i els objectes poden fer treball físic.:§VID El temps de decaïment d'un forat negre supermassiu d'aproximadament 1 massa de galàxia (1011 masses solars ) a causa de la radiació de Hawking és de l'ordre de 10100 anys,See in particular equation (27) in de manera que es pot produir entropia com a mínim fins a aquest moment. Es preveu que alguns grans forats negres de l'univers continuïn creixent fins a potser 1014 durant el col·lapse dels supercúmuls de galàxies. Fins i tot aquests s'evaporarien en un termini de fins a 10106 anys. Després d'aquest temps, l'univers entra en l'anomenada Era Fosca i s'espera que consisteixi principalment en un gas diluït de fotons i leptons.:§VIA Amb només matèria molt difusa restant, l'activitat a l'univers haurà disminuït dràsticament, amb nivells d'energia extremadament baixos i escales de temps extremadament llargues. Especulativament, és possible que l'univers entri en una segona època inflacionària, o suposant que l'estat de buit actual és un fals buit, el buit pot decaure en un estat de menor energia. :§VE També és possible que la producció d'entropia cessi i l'univers arribi a la mort tèrmica.:§VID
S'ha plantejat la hipòtesi que, durant grans períodes de temps, es podria produir una disminució espontània de l'entropia mitjançant el teorema de recurrència de Poincaré, fluctuacions tèrmiques, i teorema de fluctuació. A través d'això, un altre Big Bang podria crear un nou univers similar a l'actual mitjançant fluctuacions quàntiques i efecte túnel quàntic en aproximadament anys.
Opinions oposades Max Planck va escriure que la frase "entropia de l'univers" no té cap significat perquè no admet una definició precisa. El 2008, Walter Grandy va escriure: «És força presumptuós parlar de l'entropia d'un univers del qual encara entenem tan poc, i ens preguntem com es podria definir l'entropia termodinàmica per a un univers i els seus principals constituents que mai han estat en equilibri en tota la seva existència». Segons László Tisza, «Si un sistema aïllat no està en equilibri, no podem associar-hi una entropia». Hans Adolf Buchdahl escriu sobre "la suposició completament injustificable que l'univers es pot tractar com un sistema termodinàmic tancat". Segons Giovanni Gallavotti, «no hi ha cap noció d'entropia universalment acceptada per a sistemes fora d'equilibri, fins i tot quan es troben en un estat estacionari». En la discussió de la qüestió de l'entropia per a estats de no equilibri en general, Elliott H. Lieb i Jakob Yngvason expressen la seva opinió de la següent manera: "Malgrat que la majoria dels físics creuen en aquesta entropia de no equilibri, fins ara ha estat impossible definir-la d'una manera clarament satisfactòria." En opinió de Peter Landsberg: «El tercer error és que la termodinàmica, i en particular, el concepte d'entropia, es pot aplicar a tot l'univers sense més investigació.... Aquestes preguntes tenen una certa fascinació, però les respostes són especulacions.»