A horcajadas en el Tiempo

Termodinámica y Cosmología
EL UNIVERSO PRIMITIVO
06.18
En las respectivas secciones de los dos últimos capítulos he descrito la teoría relativista del campo cuántico y el modelo estándar.
Aunque la pluma ha tenido que hacer un esfuerzo de síntesis sustancial, dado las características de esta publicación; no obstante, con la
información que hemos podido describir, ya estamos casi en condiciones de retroceder en el tiempo para estudiar el Big Bang. Pero es necesario
explicar antes algunos conceptos más: la termodinámica y el papel de la geometría cosmológica global del espacio y el tiempo. Luego,
acoplaremos esas tres concepciones (la física de partículas cuánticas, la cosmología y la termodinámica) y elaboraremos un modelo matemático
del universo primitivo.
Nuestro modelo del universo primitivo podemos imaginarlo que será un gas de partículas cuánticas que ocupa de modo uniforme todo el
universo. La característica complementaria que aporta a este modelo la cosmología es que el espacio puede contraerse o expandirse en el
tiempo: característica que influye en el gas que hay en ese espacio. He descrito ya las partículas cuánticas y sus interacciones, y las cosmologías
de FRW sobre la estructura global del espacio y el tiempo. Explicaré ahora algunas características de la termodinámica de los gases, que son
imprescindibles para completar nuestro imaginado modelo del universo primitivo.
De momento, vamos a dejar de lado el universo y la cosmología y nos vamos a centrar en los aspectos de la termodinámica que
creemos importantes para cumplir con nuestros objetivos. Con ese objetivo, partamos imaginándonos un gas atrapado en un recipiente con
volumen, presión y temperatura definidos (propiedades macroscópicas que caracterizan el estado del gas). Las leyes físicas de la termodinámica
que relacionan entre sí esas propiedades macroscópicas del gas las desentrañaron ya los físicos del siglo XIX. Pero hasta que los físicos
adoptaron un enfoque más profundo, no se reconoció el importante papel de estas leyes termodinámicas. Para adoptar ese enfoque más
profundo hemos de recordar que los gases no son los medios homogéneos que superficialmente parecen ser sino que consisten, en realidad, en
un inmenso número de partículas que saltan de un lado a otro chocando entre sí o con las paredes del receptáculo que los contiene. Los físicos
dedujeron matemáticamente las leyes previas de la termodinámica considerando que cada una de las partículas obedecía las leves mecánicas
newtonianas del movimiento y utilizando un método, de promedio respecto al movimiento de todas las partículas. Este nuevo procedimiento,
denominado «mecánica estadística» aportó una visión nueva y profunda del carácter de las propiedades colectivas de la materia. Por ejemplo,
según la mecánica estadística, la temperatura de un gas es proporcional a la energía medía de movimiento de todas las partículas (cuanto más
de prisa se mueven las partículas, mayor es la temperatura) y su presión es proporcional a su momento medio. De este modo, puede
considerarse que las variables macroscópicas que describen un gas miden las propiedades colectivas de todas las partículas del gas.
Pero, al margen de la temperatura y la presión, los gases poseen, además, otras propiedades macroscópicas. Entre ellas, la entropía,
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