az ősrobbanás óta eltelt sokféle alkalommal. Az entrópia mindig is növekedett. NASA, ESA és A. Feild (STScI)
A termodinamika második törvénye egyike azoknak a rejtélyes természeti törvényeknek, amelyek egyszerűen az alapvető szabályokból következnek. Azt mondja ki, hogy az entrópiának, az Univerzum rendezetlenségének mértékének, mindig növekednie kell minden zárt rendszerben. De hogyan lehetséges, hogy a mai Univerzumunk, amely naprendszerekkel, galaxisokkal és bonyolult kozmikus struktúrákkal szervezettnek és rendezettnek tűnik, valahogy magasabb entrópiájú állapotban van, mint közvetlenül az ősrobbanás után? Erre kíváncsi Patreon támogatónk, Patrick Dennis:
Az entrópia és az idő általános értelmezése egy nagyon alacsony entrópiájú állapotot feltételez közvetlenül az ősrobbanás után. Mégis, ezt a pillanatot gyakran fotonok, kvarkok és elektronok “leveseként” írják le, ami a mindennapi tankönyvi példákkal összehasonlítva nagyon magas entrópiájúnak tűnik….. Hogy lehet ez az ősállapot alacsony entrópiájú?
Az idő termodinamikai nyila azt jelenti, hogy az entrópia mindig növekszik, tehát jobb, ha ma nagyobb, mint a múltban volt.
sugárzás, és olyan forró és sűrű volt, hogy a jelenlévő kvarkok és gluonok nem alakultak önálló protonokká és neutronokká, hanem kvark-gluon plazmában maradtak. RHIC kollaboráció, Brookhaven
És mégis, ha a nagyon korai Univerzumra gondolunk, ez bizony egy nagyentrópiájú állapotnak tűnik! Képzeljük el: részecskék tengere, beleértve az anyagot, az antianyagot, a gluonokat, a neutrínókat és a fotonokat, amelyek milliárdszor nagyobb energiával suhannak, mint amit ma még az LHC is képes elérni. Olyan sokan voltak – összesen talán 10^90-en -, mindannyian egy focilabda méretű térfogatba zsúfolva. Rögtön a forró ősrobbanás pillanatában ez a parányi régió ezekkel a roppant energikus részecskékkel a következő 13,8 milliárd év alatt a mi teljes megfigyelhető Univerzumunkká növekedett.
napjainkban is hatalmas növekedésen és fejlődésen ment keresztül, és még mindig így van. NASA / CXC / M.Weiss
Teljesen nyilvánvaló, hogy a mai Univerzum sokkal hűvösebb, nagyobb, teljesebb szerkezetű és nem egyenletes. De valójában az Univerzum entrópiáját mindkét időpontban, az ősrobbanás pillanatában és ma is számszerűsíthetjük a Boltzmann-állandóval, a kB-vel. Az ősrobbanás pillanatában szinte az összes entrópia a sugárzásból származott, és az Univerzum teljes entrópiája S = 1088kB volt. Másrészt, ha kiszámítjuk az Univerzum entrópiáját ma, akkor az körülbelül kvadrilliószor nagyobb: S = 10103kB. Bár mindkét szám nagynak tűnik, az előbbi szám egészen biztosan alacsony entrópiájú az utóbbihoz képest: mindössze 0,0000000000001%-kal nagyobb!
csomósabb és csillagfényt generálóbb, mint a korai Univerzum volt. Akkor miért ennyire más az entrópia? ESA, NASA, K. Sharon (Tel Aviv University) és E. Ofek (Caltech)
Van azonban egy fontos dolog, amit szem előtt kell tartani, amikor ezekről a számokról beszélünk. Amikor olyan kifejezéseket hallunk, mint “a rendezetlenség mérőszáma”, ez valójában nagyon, nagyon rossz leírása annak, hogy mi is az entrópia valójában. Képzeljük el, hogy van egy tetszőleges rendszerünk: anyag, sugárzás, akármi. Feltételezhetően van benne kódolva némi energia, legyen az kinetikus, potenciális, mezőenergia vagy bármilyen más típusú. Amit az entrópia valójában mér, az a rendszered állapotának lehetséges elrendezéseinek száma.
bal oldali rendszer, amelyet hagyunk fejlődni, spontán módon a jobb oldali rendszerré válik, és közben entrópiát nyer. Wikimedia Commons felhasználók Htkym és Dhollm
Ha a rendszerednek van mondjuk egy hideg és egy meleg része, akkor kevesebbféleképpen rendezheted el, mintha az egésznek ugyanaz a hőmérséklete lenne. A fenti, bal oldali rendszer kisebb entrópiájú rendszer, mint a jobb oldali. A kozmikus mikrohullámú háttérben lévő fotonok ma gyakorlatilag ugyanolyan entrópiával rendelkeznek, mint az Univerzum születésekor. Ezért mondják, hogy az Univerzum adiabatikusan, azaz állandó entrópiával tágul. Miközben galaxisokat, csillagokat, bolygókat stb. nézegetünk, és csodálkozunk, hogy mennyire rendezettnek vagy rendezetlennek tűnnek, az entrópiájuk elhanyagolható. Mi okozta tehát ezt az óriási entrópia-növekedést?
Az Univerzumban nem születtek, de az idők során megszerezték. Most már ők uralják az Univerzum entrópiáját. Ute Kraus, Physics education group Kraus, Universität Hildesheim; Axel Mellinger (háttér)
A válasz a fekete lyukak. Ha belegondolunk az összes részecskére, ami egy fekete lyuk létrehozásához szükséges, ez egy óriási szám. Ha egyszer beleesel egy fekete lyukba, elkerülhetetlenül egy szingularitáshoz érkezel. És az állapotok száma egyenesen arányos a fekete lyukban lévő részecskék tömegével, tehát minél több fekete lyukat képezel (vagy minél nagyobb tömegűvé válnak a fekete lyukak), annál több entrópiát kapsz az Univerzumban. Egyedül a Tejútrendszer szupermasszív fekete lyukának entrópiája S = 1091 kB, ami körülbelül 1000-szer több, mint az egész Univerzumé az ősrobbanáskor. A galaxisok számát és általában a fekete lyukak tömegét figyelembe véve a teljes entrópia mára elérte az S = 10103 kB értéket.
lyuk galaxisunk középpontjában: Sagittarius A*. Tömege körülbelül négymillió Nap… és entrópiája körülbelül 1000-szerese az egész ősrobbanásénak. Röntgen: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI
És ez csak rosszabb lesz! A távoli jövőben egyre több és több fekete lyuk fog keletkezni, és a ma létező nagy fekete lyukak körülbelül a következő 1020 évben tovább fognak növekedni. Ha az egész Univerzumot fekete lyukká változtatnánk, akkor kb. S = 10123 kB maximális entrópiát érnénk el, vagyis 100 kvintilliószor nagyobbat, mint a mai entrópia. Amikor ezek a fekete lyukak még nagyobb időskálán – körülbelül 10100 évig – szétesnek, ez az entrópia majdnem állandó marad, mivel a széteső fekete lyukak által keltett fekete test (Hawking-sugárzás) ugyanannyi lehetséges állapotelrendezéssel rendelkezik, mint maga a korábban létező fekete lyuk.
és elpárolognak a Hawking-sugárzásnak köszönhetően. Itt következik be az információvesztés, mivel a sugárzás már nem tartalmazza az egykor a horizonton kódolt információt. Illusztráció: NASA
Miért volt tehát a korai Univerzum olyan alacsony entrópiájú? Mert nem voltak benne fekete lyukak. Az S = 1088 kB entrópia még mindig rettentően nagy érték, de ez az egész Univerzum entrópiája, amely szinte kizárólag az ősrobbanásból visszamaradt sugárzásban (és valamivel kisebb mértékben a neutrínókban) van kódolva. Mivel a “dolgok”, amelyeket az Univerzumban látunk, mint például a csillagok, galaxisok stb. elhanyagolható entrópiával rendelkeznek ehhez a maradék háttérsugárzáshoz képest, könnyű elhitetni magunkkal, hogy az entrópia jelentősen megváltozik a struktúra kialakulásával, de ez csupán véletlen, nem pedig az ok.
az Univerzum, hogy kialakuljon a legelső csillaga, és a legelső fekete lyuka. Amíg ez meg nem történt, az Univerzum entrópiája több mint 99%-os pontossággal változatlan maradt. NASA/CXC/CfA/R. Kraft et al.
Ha nem léteznének fekete lyukak, akkor az Univerzum entrópiája az elmúlt 13,8 milliárd évben szinte állandó lett volna! Ez az ősállapot valójában jelentős mennyiségű entrópiával rendelkezett; csakhogy a fekete lyukak sokkal többel rendelkeznek, és kozmikus szempontból olyan könnyen létrehozhatók.
Küldje el Ask Ethan kérdéseit a startswithabang at gmail dot com címre!
Kövessen a Twitteren. Nézze meg a weboldalamat vagy néhány más munkámat itt.