L’entropia è un concetto spesso discusso nella fisica moderna, soprattutto quando applicato alla vastità dell’universo. Il principio dell’aumento dell’entropia suggerisce che l’universo sta evolvendo verso una condizione definita di “morte termica“, situazione ipotetica in cui il disordine avrà raggiunto il suo apice e nessun processo termodinamico potrà più avvenire. Ma esploriamo passo passo come si arriva a questa idea e quali implicazioni porta con sé.

L’entropia e le sue interpretazioni

In termini colloquiali, l’entropia viene spesso descritta come una misura del disordine di un sistema. Per essere più precisi da un punto di vista tecnico, possiamo distinguere un aspetto termodinamico dell’entropia e un aspetto probabilistico.

Da un punto di vista termodinamico, un sistema con bassa entropia è capace di produrre lavoro trasformando energia termica in meccanica. Man mano che il sistema evolve e produce lavoro, perde questa capacità fino a quando non può più trasformare ulteriormente l’energia, raggiungendo così l’entropia massima.

Da un punto di vista probabilistico, l’entropia bassa corrisponde a configurazioni meno probabili (per esempio, tutte le molecole di un gas confinate in un angolo di un contenitore), mentre un sistema raggiunge un’entropia alta quando le particelle si distribuiscono uniformemente nello spazio disponibile, configurazione molto più probabile.

Applicazioni e limiti del concetto di entropia

Le nozioni di entropia appena descritte, se applicate a sistemi isolati sono ben comprese, ma quando estendiamo tali concetti all’intero universo, emergono delle complessità. Infatti l’idea che l’universo sia un sistema isolato solleva dei dubbi non appena ci si rende conto che tutti i sistemi isolati in cui si dimostra valido il principio di aumento dell’entropia sono confinati per ipotesi, cioè limitati spazialmente. Non abbiamo prove concrete che l’universo sia confinato spazialmente, e la nostra percezione dell’universo osservabile potrebbe non rappresentare correttamente l’intero scenario cosmico.

La complessità di forma

Recenti teorie, come quelle del fisico teorico Julian Barbour, suggeriscono che l’entropia potrebbe non essere il parametro più adatto per descrivere l’universo in toto. Barbour introduce il concetto di “complessità di forma“, che si concentra sulle relazioni relative tra particelle piuttosto che sullo spazio che occupano. Questo approccio potrebbe offrire una nuova lente attraverso cui esaminare l’evoluzione dell’universo, dove la gravità gioca un ruolo cruciale nel modulare questa complessità.

La complessità di forma, o shape complexity, può essere compresa nel contesto del problema degli N-corpi nella fisica teorica. Nella trattazione di Julian Barbour, la complessità di forma è espressa tramite il rapporto tra la cosiddetta lunghezza armonica media (cioè l’inverso della media ponderata delle distanze tra le coppie di particelle, con i pesi dati dai prodotti delle loro masse) e una cosiddetta lunghezza efficace (radice della media dei quadrati delle lunghezze) legata alle separazioni tra le particelle. Questo rapporto, definito come:

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misura quanto la distribuzione delle particelle devia da una configurazione uniforme, indicando una maggiore complessità man mano che cresce. Tale crescita è interpretata come un incremento dell’ordine piuttosto che del disordine, contrariamente a quanto implica la seconda legge della termodinamica. In questo modo, la complessità di forma diventa una misura dinamica che riflette come le interazioni gravitazionali e le configurazioni di massa possano auto-organizzarsi in strutture sempre più complesse nel tempo, contribuendo così alla formazione dell’ordine nell’universo.

Il dibattito sull’entropia e l’evoluzione dell’universo è lungi dall’essere risolto. La scienza continua a esplorare e sfidare i concetti esistenti, cercando di comprendere meglio la realtà in cui viviamo. Le teorie di Barbour e altri potrebbero un giorno rivoluzionare la nostra comprensione della fisica delle interazioni fondamentali, come quella gravitazionale, e delle leggi che governano l’universo, stimolando la comunità scientifica verso nuove ricerche.