a variety of times since Big Bang. Entropie se zvyšovala vždy. NASA, ESA a A. Feild (STScI)
Druhý termodynamický zákon je jedním z těch záhadných přírodních zákonů, které jednoduše vyplývají ze základních pravidel. Říká, že entropie, míra neuspořádanosti ve vesmíru, se musí v každém uzavřeném systému vždy zvyšovat. Jak je ale možné, že náš dnešní vesmír, který se zdá být organizovaný a uspořádaný, se slunečními soustavami, galaxiemi a složitou vesmírnou strukturou, je nějakým způsobem ve stavu vyšší entropie než těsně po velkém třesku? To chce vědět náš příznivec Patreonu Patrick Dennis:
Běžné chápání entropie a času předpokládá stav velmi nízké entropie těsně po velkém třesku. Přesto je tento okamžik často popisován jako „polévka“ fotonů, kvarků a elektronů, tedy něco, co se ve srovnání s každodenními učebnicovými příklady jeví jako velmi entropické…. Jak to, že je tento prvotní stav nízkoentropický?“
Z termodynamické šipky času vyplývá, že entropie vždy roste, takže je lepší, když je dnes větší než v minulosti.
záření a byl tak horký a hustý, že se přítomné kvarky a gluony nezformovaly do jednotlivých protonů a neutronů, ale zůstaly v kvark-gluonovém plazmatu. Spolupráce RHIC, Brookhaven
A přesto, když se zamyslíme nad velmi raným vesmírem, určitě to vypadá jako stav s vysokou entropií! Představte si to: moře částic, včetně hmoty, antihmoty, gluonů, neutrin a fotonů, které sviští kolem při energiích miliardkrát vyšších, než jakých je dnes schopen dosáhnout i urychlovač LHC. Bylo jich tolik – celkem možná 10^90 – a všechny se vtěsnaly do objemu malého jako fotbalový míč. Hned v okamžiku horkého velkého třesku se tato malá oblast s těmito nesmírně energetickými částicemi během následujících 13,8 miliardy let rozrostla do celého našeho pozorovatelného vesmíru.
present day, underwent a huge amount of growth and evolution, and continues to do so. NASA / CXC / M.Weiss
Zcela zjevně je dnešní vesmír mnohem chladnější, větší, plnější struktury a nejednotný. Ve skutečnosti však můžeme entropii vesmíru v obou dobách, v okamžiku velkého třesku i dnes, kvantifikovat pomocí Boltzmannovy konstanty kB. V okamžiku velkého třesku byla téměř veškerá entropie způsobena zářením a celková entropie vesmíru byla S = 1088kB. Na druhou stranu, když spočítáme entropii vesmíru dnes, je asi kvadrilionkrát větší: S = 10103kB. Ačkoli se obě tato čísla zdají být velká, první číslo je ve srovnání s druhým rozhodně nízkoentropické: je pouze o 0,0000000000001 % větší!“
více shlukovitá a generující světlo hvězd, než byl raný vesmír. Tak proč je entropie tak odlišná? ESA, NASA, K. Sharon (Univerzita v Tel Avivu) a E. Ofek (Caltech)
Při hovoru o těchto číslech je však třeba mít na paměti důležitou věc. Když slyšíte termíny jako „míra neuspořádanosti“, je to ve skutečnosti velmi, velmi špatný popis toho, co entropie ve skutečnosti je. Představte si, že máte libovolný systém: hmotu, záření, cokoli. Pravděpodobně v něm bude zakódována nějaká energie, ať už kinetická, potenciální, energie pole nebo jakýkoli jiný typ. To, co entropie ve skutečnosti měří, je počet možných uspořádání stavu vašeho systému.
vlevo a ponechaný, aby se vyvíjel, se spontánně stane systémem vpravo, přičemž v tomto procesu získá entropii. Uživatelé Wikimedia Commons Htkym a Dhollm
Pokud má soustava například studenou a horkou část, můžete ji uspořádat méně způsoby, než když má celá stejnou teplotu. Soustava vlevo nahoře má nižší entropii než soustava vpravo. Fotony v kosmickém mikrovlnném pozadí mají dnes prakticky stejnou entropii jako v době zrodu vesmíru. Proto se říká, že vesmír se rozpíná adiabaticky, což znamená s konstantní entropií. I když se můžeme dívat na galaxie, hvězdy, planety atd. a žasnout nad tím, jak uspořádané nebo neuspořádané se zdají být, jejich entropie je zanedbatelná. Co tedy způsobilo tento obrovský nárůst entropie?“
s, ale postupem času ji získala. Nyní dominují entropii vesmíru. Ute Kraus, fyzikální vzdělávací skupina Kraus, Universität Hildesheim; Axel Mellinger (v pozadí)
Odpovědí jsou černé díry. Když se zamyslíte nad všemi částicemi, které se podílejí na vzniku černé díry, je to obrovské množství. Jakmile spadnete do černé díry, nevyhnutelně se dostanete do singularity. A počet stavů je přímo úměrný hmotnostem částic v černé díře, takže čím více černých děr vytvoříte (nebo čím hmotnější černé díry budete mít), tím více entropie ve vesmíru získáte. Samotná supermasivní černá díra Mléčné dráhy má entropii, která je S = 1091 kB, což je asi 1000krát více než celý vesmír při velkém třesku. Vzhledem k počtu galaxií a hmotnostem černých děr obecně dosahuje dnes celková entropie hodnoty S = 10103 kB.
Díra v centru naší galaxie: Sagittarius A*. Má hmotnost asi čtyři miliony Sluncí… a entropii asi 1000krát větší než celý Velký třesk. Rentgenové záření: Wang a kol., IR: NASA/STScI
A bude to ještě horší! V daleké budoucnosti bude vznikat stále více černých děr a velké černé díry, které existují dnes, budou růst ještě asi 1020 let. Kdybychom proměnili celý vesmír v černou díru, dosáhli bychom maximální entropie přibližně S = 10123 kB, což je o 100 kvintilionů více než dnešní entropie. Když se tyto černé díry rozpadnou na ještě větších časových škálách – přibližně až na 10100 let – zůstane tato entropie téměř konstantní, protože záření černého tělesa (Hawkingovo záření) produkované rozpadajícími se černými dírami bude mít stejný počet možných stavových uspořádání jako samotná dříve existující černá díra.
a vypařují se díky Hawkingovu záření. Právě tam dochází ke ztrátě informace, protože záření již neobsahuje informaci, která byla kdysi zakódována na horizontu. Ilustrace NASA
Proč byl tedy raný vesmír tak málo entropický? Protože v něm nebyly žádné černé díry. Entropie S = 1088 kB je stále nesmírně velká hodnota, ale je to entropie celého vesmíru, která je téměř výhradně zakódována ve zbytcích záření (a v o něco menší míře v neutrinech) z velkého třesku. Protože „věci“, které vidíme při pohledu na vesmír, jako jsou hvězdy, galaxie atd., mají ve srovnání s tímto zbytkovým pozadím zanedbatelnou entropii, je snadné si namlouvat, že se entropie při formování struktury výrazně mění, ale to je pouze náhoda, nikoli příčina.
vesmír, aby vytvořil svou úplně první hvězdu a svou úplně první černou díru. Dokud se tak nestalo, entropie vesmíru se s přesností více než 99 % nezměnila. NASA/CXC/CfA/R. Kraft et al.
Kdyby neexistovaly takové věci jako černé díry, entropie vesmíru by byla za posledních 13,8 miliardy let téměř konstantní! Tento prvotní stav měl ve skutečnosti značné množství entropie; to jen černé díry jí mají mnohem více a z kosmického hlediska je tak snadné ji vytvořit.
Své dotazy na Ethana posílejte na adresu startswithabang at gmail dot com!
Sledujte mě na Twitteru. Podívejte se na mé webové stránky nebo na některé mé další práce zde.