Entropia e ordine

Espansione sferica della luce


Sappiamo che l'entropia dell'Universo cresce con la sua espansione. Consegue che l'Universo doveva essere molto ordinato nella fase iniziale della sua comparsa. Ciò che chiedo è cosa si deve intendere per ordine iniziale dell'Universo.

Grazie e cordiali saluti.

Domenico Annunziata
26 luglio 2008

L'Universo osservato indica che esso si sta evolvendo da uno stato iniziale di grande densità, pressione e temperatura, detto in modo colloquiale "Big Bang".

Sulla natura evolutiva dell'Universo vi è oggi un consenso quasi generale anche se le osservazioni astronomiche sono di tali ricchezza e complessità da rendere problematica una sua descrizione mediante un modello unico e autoconsistente. A meno di evidenze inequivocabili in senso contrario, il nostro Universo è da considerarsi un sistema isolato e come tale privo di scambi di alcun tipo con sistemi diversi quali altri universi come più volte ipotizzato.

In una qualunque teoria cosmologica, quindi, occorre tener conto delle leggi di conservazione della fisica consistentemente con l'espansione dell'Universo e in generale con una dinamica d'insieme dominata dalla gravitazione. I sistemi fisici che caratterizzano ogni parte dell'Universo in ogni istante della sua evoluzione sono sistemi complessi in generale difficili da trattare con rigore e certamente irreversibili e lontani dall'equilibrio per cui si può ben affermare che l'entropia dell'Universo nel suo insieme aumenta.

Il concetto di entropia è conseguente al secondo principio della termodinamica che in termini di entropia appunto afferma: "Il grado di disordine nell'Universo aumenta con continuità. In esso i sistemi tendono ad evolversi da un comportamento ordinato a uno casuale".

Per un sistema in assenza di gravitazione tale comportamento è ragionevolmente intuitivo: consideriamo una goccia di inchiostro rilasciata in un bicchiere d'acqua; inizialmente tale goccia mantiene la sua consistenza come se fosse separata dall'acqua e in tal caso il sistema appare ordinato con un numero relativamente piccolo di stati possibili per le molecole dell'inchiostro (microstati) in corrispondenza dello "stesso" stato della goccia (macrostato). Ma con il passare del tempo la goccia si diffonde nell'acqua a seguito del mescolamento delle molecole dei due fluidi. A ogni istante del processo di mescolamento il numero possibile di microstati del sistema acqua più inchiostro  corrispondenti allo macrostato in quell'istante è molto più grande rispetto a un istante precedente e quindi si dirà che l'entropia del sistema cresce. Il mescolamento aumenterà fino a una fase di distribuzione omogenea di un fluido rispetto all'altro e questo sarà lo stato di massimo disordine fra le molecole dei due fluidi e quindi di massima entropia.   

Se consideriamo un fluido in un campo gravitazionale, sia esso esterno o generato dal fluido stesso, l'evoluzione dell'entropia avviene in un senso apparentemente contrario a quanto su descritto. Se il fluido è inizialmente distribuito in un dato volume in modo ovunque uniforme allora avremo un certo numero di stati possibili per le molecole del fluido in corrispondenza dello stato iniziale omogeneo e isotropo. Se una piccola variazione di densità innesca il collasso gravitazionale allora il fluido condenserà verso stati macroscopici (stella) ciascuno compatibile con un numero molto maggiore di microstati dovuti all'aumento di densità, di pressione e di temperatura. Si ha così un aumento di entropia conseguente al collasso gravitazionale. Il massimo di entropia si ottiene con la formazione di un buco nero.


Nel caso dell'Universo occorre considerare il fluido cosmico confinato in un volume in espansione. La gravitazione induce il collasso locale fino alla formazione delle strutture cosmiche fino all'estremo dei buchi neri massimizzando così la sua entropia. Inevitabilmente quindi ci si rende conto della necessità che l'entropia dell'universo debba essere inizialmente  "bassa"  per giustificarne un aumento con il tempo.

Queste considerazioni portano al problema di come descrivere l'Universo primordiale. Dal punto di vista matematico il "Big Bang" è un "punto" in cui si ritiene condensata tutta la storia temporale e il contenuto fisico dell'universo. Un tale sistema non può che essere ordinato! Da questo istante iniziale l'universo si evolve in modi dipendenti dal modello adottato. L'inflazione cosmologica è una fase di rapida espansione susseguente al Big Bang che ha lo scopo di eliminare quel possibile grado di disordine che si potrebbe ipotizzare nel big bang. In ogni caso la necessità di giustificare uno zero iniziale per l'entropia può essere espressa matematicamente imponendo l'annullarsi di una quantità funzione della curvatura dello spaziotempo e che si ritiene possa rappresentare l'entropia dell'universo, in quella che è nota come Ipotesi di Weyl.

Sfortunatamente non tutto ciò che accade nel nostro universo è compreso per cui la domanda di cosa si intenda per ordine nell'universo primordiale potrebbe non avere ancora una risposta del tutto soddisfacente.

Fernando De Felice Dipartimento di Fisica, Università di Padova

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