en række gange siden Big Bang. Entropien er altid steget. NASA, ESA og A. Feild (STScI)
Den anden termodynamiske lov er en af de gådefulde naturlove, som simpelthen opstår ud fra de grundlæggende regler. Den siger, at entropien, et mål for uorden i universet, altid må stige i ethvert lukket system. Men hvordan er det muligt, at vores univers i dag, som ser ud til at være organiseret og ordnet med solsystemer, galakser og indviklede kosmiske strukturer, på en eller anden måde befinder sig i en tilstand med højere entropi end lige efter Big Bang? Det vil vores Patreon-supporter Patrick Dennis gerne vide:
Den almindelige forståelse af entropi og tid indebærer en tilstand med meget lav entropi lige efter Big Bang. Alligevel beskrives dette øjeblik ofte som en “suppe” af fotoner, kvarker og elektroner, noget der, sammenlignet med hverdagens eksempler fra lærebøgerne, virker meget høj entropi…. Hvordan kan den oprindelige tilstand være laventropisk?
Den termodynamiske tidspil indebærer, at entropien altid stiger, så den har bare at være større i dag, end den har været tidligere.
stråling, og var så varmt og tæt, at de tilstedeværende kvarker og gluoner ikke dannede sig til individuelle protoner og neutroner, men forblev i et kvark-gluon plasma. RHIC-samarbejdet, Brookhaven
Og alligevel, hvis vi tænker på det meget tidlige univers, ligner det bestemt en tilstand med høj entropi! Forestil dig det: et hav af partikler, herunder stof, antimaterie, gluoner, neutrinoer og fotoner, der alle suser rundt ved energier, der er milliarder af gange højere end selv LHC kan opnå i dag. Der var så mange af dem – måske 10^90 i alt – alle sammen presset ind i et volumen så lille som en fodbold. Lige i det øjeblik, hvor det varme Big Bang fandt sted, ville dette lille område med disse enormt energirige partikler vokse til hele vores observerbare univers i løbet af de næste 13,8 milliarder år.
i dag har gennemgået en enorm vækst og udvikling, og det gør det fortsat. NASA / CXC / M.Weiss
Det er helt klart, at universet i dag er meget køligere, større, mere strukturfyldt og uensartet. Men vi kan faktisk kvantificere universets entropi på begge tidspunkter, i Big Bang-øjeblikket og i dag, i form af Boltzmanns konstant, kB. I Big Bang-øjeblikket skyldtes næsten hele entropien stråling, og universets samlede entropi var S = 1088kB. Hvis vi på den anden side beregner universets entropi i dag, er den ca. en quadrillion gange så stor: S = 10103kB. Selv om begge disse tal virker store, er førstnævnte tal helt klart laventropisk sammenlignet med sidstnævnte: det er kun 0,00000000000000001% så stort!
mere klynget og mere genererende af stjernelys end det tidlige univers var. Så hvorfor er entropien så anderledes? ESA, NASA, K. Sharon (Tel Aviv University) og E. Ofek (Caltech)
Der er dog en vigtig ting, man skal huske på, når vi taler om disse tal. Når man hører udtryk som “et mål for uorden” blive brugt, er det faktisk en meget, meget dårlig beskrivelse af, hvad entropi egentlig er. Forestil dig i stedet, at du har et hvilket som helst system: stof, stråling, hvad som helst. Formentlig vil der være noget energi indkodet i det, uanset om det er kinetisk, potentiel, feltenergi eller en anden type energi. Det, entropien faktisk måler, er antallet af mulige arrangementer af dit systems tilstand.
venstre og får lov til at udvikle sig, vil spontant blive til systemet til højre, idet det får entropi i processen. Wikimedia Commons-brugere Htkym og Dhollm
Hvis dit system har f.eks. en kold del og en varm del, kan du arrangere det på færre måder, end hvis det hele har samme temperatur. Systemet, ovenfor, til venstre, er et system med lavere entropi end det til højre. Fotonerne i den kosmiske mikrobølgebaggrund har praktisk talt den samme entropi i dag som dengang, da universet blev født. Det er derfor, man siger, at universet udvider sig adiabatisk, hvilket betyder med en konstant entropi. Selv om vi kan se på galakser, stjerner, planeter osv. og forundres over, hvor ordnede eller uordnede de ser ud til at være, er deres entropi ubetydelig. Så hvad var årsagen til den enorme stigning i entropien?
med, men er vokset til at erhverve sig over tid. De dominerer nu universets entropi. Ute Kraus, Fysikuddannelsesgruppe Kraus, Universität Hildesheim; Axel Mellinger (baggrund)
Svaret er sorte huller. Hvis man tænker på alle de partikler, der indgår i fremstillingen af et sort hul, er der tale om et enormt antal. Når man falder ned i et sort hul, når man uundgåeligt frem til en singularitet. Og antallet af tilstande er direkte proportionalt med masserne af partiklerne i det sorte hul, så jo flere sorte huller du danner (eller jo mere massive dine sorte huller bliver), jo mere entropi får du i universet. Mælkevejens supermassive sorte hul alene har en entropi, der er S = 1091 kB, hvilket er ca. en faktor 1000 mere end hele universet ved Big Bang. I betragtning af antallet af galakser og de sorte hullers masse i almindelighed har den samlede entropi i dag nået en værdi på S = 10103 kB.
hul i midten af vores galakse: Sagittarius A*. Det har en masse på ca. fire millioner sole … og en entropi, der er ca. 1000 gange så stor som hele Big Bang’s entropi. Røntgenstråler: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI
Og det bliver kun værre! I den fjerne fremtid vil der blive dannet flere og flere sorte huller, og de store sorte huller, der findes i dag, vil fortsætte med at vokse i ca. de næste 1020 år. Hvis man skulle forvandle hele universet til et sort hul, ville vi nå en maksimal entropi på ca. S = 10123 kB, eller en faktor 100 quintillion større end entropien i dag. Når disse sorte huller henfalder på endnu større tidsskalaer – op til ca. 10100 år – vil denne entropi forblive næsten konstant, da den sortlegemsstråling (Hawking-stråling), der produceres af de henfaldende sorte huller, vil have det samme antal mulige tilstandsarrangementer som det tidligere eksisterende sorte hul selv.
og fordamper takket være Hawking-stråling. Det er her, informationstabet sker, da strålingen ikke længere indeholder den information, der engang var kodet på horisonten. Illustration af NASA
Så hvorfor var det tidlige univers så laventropisk? Fordi det ikke havde nogen sorte huller. En entropi på S = 1088 kB er stadig en enormt stor værdi, men det er entropien for hele universet, som næsten udelukkende er kodet i den tilbageværende stråling (og i lidt mindre grad i neutrinos) fra Big Bang. Fordi de “ting”, vi ser, når vi kigger ud på universet, såsom stjerner, galakser osv., har en ubetydelig entropi sammenlignet med denne tilbageværende baggrund, er det let at narre os selv til at tro, at entropien ændrer sig væsentligt, når der dannes struktur, men det er blot en tilfældighed, ikke årsagen.
universet til at danne sin allerførste stjerne og sit allerførste sorte hul. Indtil det skete, forblev universets entropi uændret med en nøjagtighed på mere end 99 %. NASA/CXC/CfA/R. Kraft et al.
Hvis der ikke fandtes sorte huller, ville universets entropi have været næsten konstant i de sidste 13,8 milliarder år! Den oprindelige tilstand havde faktisk en betydelig mængde entropi; det er bare det, at sorte huller har så meget mere, og at de er så nemme at lave set fra et kosmisk perspektiv.
Send dine Ask Ethan-spørgsmål til startswithabang at gmail dot com!
Følg mig på Twitter. Tjek mit websted eller nogle af mine andre værker her.