useita kertoja alkuräjähdyksen jälkeen. Entropia on kasvanut aina. NASA, ESA ja A. Feild (STScI)
Termodynamiikan toinen laki on yksi niistä hämmentävistä luonnonlaeista, jotka yksinkertaisesti syntyvät perussäännöistä. Sen mukaan entropian, maailmankaikkeuden epäjärjestyksen mittarin, on aina kasvettava missä tahansa suljetussa systeemissä. Mutta miten on mahdollista, että nykyinen maailmankaikkeutemme, joka näyttää järjestäytyneeltä ja järjestetyltä aurinkokuntineen, galakseineen ja monimutkaisine kosmisine rakenteineen, on jotenkin korkeamman entropian tilassa kuin heti alkuräjähdyksen jälkeen? Tämän Patreon-tukijamme Patrick Dennis haluaa tietää:
Yleinen käsitys entropiasta ja ajasta viittaa hyvin matalaentrooppiseen tilaan heti alkuräjähdyksen jälkeen. Silti tuo hetki kuvataan usein fotonien, kvarkkien ja elektronien ”keittona”, joka arkipäiväisiin oppikirjaesimerkkeihin verrattuna vaikuttaa hyvin korkea-entrooppiselta….. Miten tuo alkutila on matalaentrooppinen?
Ajan termodynaaminen nuoli viittaa siihen, että entropia kasvaa aina, joten sen on parasta olla nykyään suurempi kuin aiemmin.
säteilyä, ja se oli niin kuuma ja tiheä, että läsnä olevat kvarkit ja gluonit eivät muodostuneet yksittäisiksi protoneiksi ja neutroneiksi, vaan pysyivät kvarkki-gluoniplasmassa. RHIC collaboration, Brookhaven
Ja silti, jos ajattelemme hyvin varhaista maailmankaikkeutta, se näyttää varmasti korkea-entrooppiselta tilalta! Kuvittele se: hiukkasmeri, johon kuuluu ainetta, antiainetta, gluoneita, neutriinoja ja fotoneja, jotka kaikki suhisevat ympäriinsä miljardeja kertoja suuremmilla energioilla kuin mitä edes LHC:llä voidaan nykyään saavuttaa. Niitä oli niin paljon – yhteensä ehkä 10^90 kappaletta – ja ne kaikki ahtautuivat jalkapallon kokoiseen tilavuuteen. Heti kuuman alkuräjähdyksen hetkellä tämä pieni alue, jossa oli näitä valtavan energisiä hiukkasia, kasvaisi seuraavan 13,8 miljardin vuoden aikana koko havaittavaksi maailmankaikkeudeksemme.
nykypäivään, kasvoi ja kehittyy valtavasti ja kehittyy edelleen. NASA / CXC / M.Weiss
Yksiselitteisesti maailmankaikkeus on nykyään paljon viileämpi, suurempi, rakenteeltaan täyteläisempi ja epäyhtenäisempi. Mutta voimme itse asiassa kvantifioida maailmankaikkeuden entropian molempina aikoina, alkuräjähdyshetkellä ja nykyään, Boltzmannin vakiona kB. Alkuräjähdyshetkellä lähes kaikki entropia johtui säteilystä, ja maailmankaikkeuden kokonaisentropia oli S = 1088 kB. Toisaalta, jos laskemme maailmankaikkeuden entropian nykyään, se on noin kvadriljoona kertaa suurempi: S = 10103kB. Vaikka molemmat luvut vaikuttavat suurilta, edellinen luku on aivan varmasti matalaentrooppinen verrattuna jälkimmäiseen: se on vain 0,0000000000001 % yhtä suuri!
rönsyilevämpi ja tähtien valoa synnyttävämpi kuin varhainen maailmankaikkeus oli. Miksi entropia on siis niin erilainen? ESA, NASA, K. Sharon (Tel Avivin yliopisto) ja E. Ofek (Caltech)
Puhuessamme näistä luvuista on kuitenkin tärkeä asia pidettävä mielessä. Kun kuulee puhuttavan termeistä kuten ”epäjärjestyksen mitta”, se on itse asiassa hyvin, hyvin huono kuvaus siitä, mitä entropia oikeastaan on. Kuvittele sen sijaan, että sinulla on mikä tahansa järjestelmä: aine, säteily, mikä tahansa. Oletettavasti siihen on koodattu jonkin verran energiaa, oli se sitten kineettistä, potentiaalista, kenttäenergiaa tai mitä tahansa muuta. Se, mitä entropia itse asiassa mittaa, on systeemisi tilan mahdollisten järjestelyjen lukumäärä.
vasemmalla oleva systeemi, jonka annetaan kehittyä, muuttuu spontaanisti oikeanpuoleiseksi systeemiksi, jolloin entropia kasvaa. Wikimedia Commonsin käyttäjät Htkym ja Dhollm
Jos systeemissäsi on vaikkapa kylmä osa ja kuuma osa, voit järjestää sen harvemmalla tavalla kuin jos koko systeemi on samassa lämpötilassa. Yllä vasemmalla oleva systeemi on matalamman entropian systeemi kuin oikealla oleva. Kosmisen mikroaaltotaustan fotoneilla on nykyään käytännössä sama entropia kuin maailmankaikkeuden syntyessä. Tämän vuoksi sanotaan, että maailmankaikkeus laajenee adiabaattisesti, mikä tarkoittaa, että entropia pysyy vakiona. Vaikka katselemme galakseja, tähtiä, planeettoja jne. ja ihmettelemme, miten järjestäytyneiltä tai epäjärjestyneiltä ne näyttävät, niiden entropia on häviävän pieni. Mikä siis aiheutti tuon valtavan entropian kasvun?
kanssa, mutta on kasvanut hankkimaan ajan myötä. Ne hallitsevat nyt maailmankaikkeuden entropiaa. Ute Kraus, Fysiikan opetusryhmä Kraus, Universität Hildesheim; Axel Mellinger (tausta)
Vastaus on mustat aukot. Jos ajatellaan kaikkia hiukkasia, jotka menevät mustan aukon tekemiseen, se on valtava määrä. Kun putoat mustaan aukkoon, päädyt väistämättä singulariteettiin. Ja tilojen määrä on suoraan verrannollinen mustan aukon hiukkasten massoihin, joten mitä enemmän mustia aukkoja muodostuu (tai mitä massiivisemmiksi mustat aukot muuttuvat), sitä enemmän maailmankaikkeuteen tulee entropiaa. Pelkästään Linnunradan supermassiivisen mustan aukon entropia on S = 1091 kB, mikä on noin tuhatkertaisesti enemmän kuin koko maailmankaikkeuden entropia alkuräjähdyksessä. Kun otetaan huomioon galaksien lukumäärä ja mustien aukkojen massat yleensä, kokonaisentropia on nykyään saavuttanut arvon S = 10103 kB.
Musta aukko galaksimme keskustassa: Sagittarius A*. Sen massa on noin neljä miljoonaa aurinkoa… ja entropia noin 1000 kertaa suurempi kuin koko alkuräjähdyksessä. Röntgensäteilyä: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI
Ja tämä vain pahenee! Kaukaisessa tulevaisuudessa muodostuu yhä enemmän ja enemmän mustia aukkoja, ja nykyisin olemassa olevat suuret mustat aukot jatkavat kasvuaan vielä noin 1020 vuoden ajan. Jos koko maailmankaikkeus muutettaisiin mustaksi aukoksi, saavuttaisimme maksimaalisen entropian, joka olisi noin S = 10123 kB, eli 100 kvintiljoonaa kertaa suurempi kuin nykyinen entropia. Kun nämä mustat aukot hajoavat vielä suuremmilla aikaskaaloilla – jopa noin 10100 vuoteen asti – tuo entropia pysyy lähes vakiona, koska hajoavien mustien aukkojen tuottamalla mustan kappaleen (Hawkingin) säteilyllä on sama määrä mahdollisia tilajärjestelyjä kuin entisellä mustalla aukolla itsellään.
ja haihtuvat Hawkingin säteilyn ansiosta. Siellä tapahtuu informaatiohäviö, sillä säteily ei enää sisällä horisonttiin kerran koodattua informaatiota. Kuvitus: NASA
Miksi siis varhainen maailmankaikkeus oli niin matalaentrooppinen? Koska siinä ei ollut mustia aukkoja. Entropia S = 1088 kB on edelleen valtavan suuri arvo, mutta se on koko maailmankaikkeuden entropia, joka on lähes yksinomaan koodattu alkuräjähdyksestä jäljelle jääneeseen säteilyyn (ja hieman vähemmässä määrin neutriinoihin). Koska ”tavaroilla”, joita näemme katsellessamme maailmankaikkeutta, kuten tähdet, galaksit jne., on mitättömän pieni entropia verrattuna tuohon jäljelle jääneeseen taustasäteilyyn, on helppo uskotella itsellemme, että entropia muuttuu merkittävästi rakenteen muodostuessa, mutta se on pelkkä sattuma, ei syy.
maailmankaikkeus muodosti aivan ensimmäisen tähtensä ja aivan ensimmäisen mustan aukkonsa. Ennen kuin tämä tapahtui, maailmankaikkeuden entropia pysyi yli 99 prosentin tarkkuudella muuttumattomana. NASA/CXC/CfA/R. Kraft et al.
Jos mustia aukkoja ei olisi olemassa, maailmankaikkeuden entropia olisi ollut lähes vakio viimeiset 13,8 miljardia vuotta! Tuossa alkutilassa oli itse asiassa huomattava määrä entropiaa; mustissa aukoissa on vain niin paljon enemmän, ja ne ovat kosmisesta näkökulmasta niin helppoja tehdä.
Lähetä Ask Ethan -kysymyksesi osoitteeseen startswithabang at gmail dot com!
Seuraa minua Twitterissä. Tutustu verkkosivuihini tai muihin töihini täällä.