ビッグバン以来、さまざまな時間に対応する。 エントロピーは常に増加している。 NASA, ESA, and A. Feild (STScI)
熱力学の第二法則は、基本的な規則から単純に出現する不可解な自然法則の一つです。 宇宙の無秩序さを表すエントロピーは、どんな閉じた系でも必ず増大するというものです。 しかし、太陽系や銀河系、複雑な宇宙構造など、組織的で秩序あるように見える現在の宇宙が、なぜビッグバン直後よりも高エントロピーな状態にあるのでしょうか？
エントロピーと時間に関する一般的な理解は、ビッグバン直後は非常に低エントロピーな状態であることを示唆しています。 しかし、その瞬間はしばしば光子、クォーク、電子の「スープ」として描写され、日常の教科書の例と比較すると、非常に高エントロピーのように見えます……。
時間の熱力学的な矢印は、エントロピーが常に上昇することを意味しているので、過去よりも現在の方が大きい方が良いのです。
それにしても、ごく初期の宇宙について考えてみると、確かに高エントロピー状態のように見えますね。 物質、反物質、グルーオン、ニュートリノ、光子などの粒子の海が、今日のLHCで得られるエネルギーよりも何十億倍も高いエネルギーで飛び交っているのです！想像してみてください。 その数は10^90にものぼり、そのすべてがサッカーボールほどの大きさの中に詰め込まれているのです。
極めて明らかに、今日の宇宙ははるかに冷たく、大きく、構造が充実し、不均一である。 しかし、実際には、ビッグバンの瞬間と今日の両方の時代の宇宙のエントロピーを、ボルツマン定数kBで定量化することができます。 ビッグバンの瞬間、エントロピーのほとんどは放射によるもので、宇宙の全エントロピーはS=1088kBでした。 一方、現在の宇宙のエントロピーを計算すると、約1000兆倍にもなる。 S = 10103kB です。 どちらの数字も大きいように見えますが、前者の数字は後者に比べて間違いなく低エントロピーです：0.0000000000001%しかありません！
初期の宇宙よりも、よりクラスタ化され、星明かりを発生させている。 では、なぜエントロピーはこれほどまでに違うのでしょうか？ ESA、NASA、K. Sharon (Tel Aviv University) and E. Ofek (Caltech)
これらの数字について話すとき、心に留めておくべき大切なことがあります。 無秩序の尺度」というような言葉を耳にすることがありますが、実はこれはエントロピーが実際に何であるかの説明としては非常に稚拙なものなのです。 例えば、物質でも放射線でも何でもいいのですが、好きなシステムを想像してみてください。 おそらくそこには、運動エネルギー、位置エネルギー、場のエネルギーなど、何らかのエネルギーが内包されているはずです。
左側に設定された系を進化させると、自発的に右側の系になり、その過程でエントロピーを獲得していきます。 Wikimedia Commons users Htkym and Dhollm
システムに例えば冷たい部分と熱い部分がある場合、全体が同じ温度である場合よりも少ない方法でアレンジすることができます。 上の、左側の系は、右側の系より、エントロピーが低い系です。 宇宙マイクロ波背景放射に含まれる光子のエントロピーは、宇宙が誕生したときと現在ではほとんど変わりません。 このことから、宇宙は断熱的に膨張する、つまりエントロピーが一定であると言われています。 私たちは銀河や星、惑星などを見て、秩序があるように見えたり、無秩序に見えたりして驚嘆するかもしれませんが、そのエントロピーは無視できるほど小さいのです。 では、何がその驚異的なエントロピーの増加をもたらしたのでしょうか。
ブラックホールとは、宇宙が生まれながらにして持っているものではなく、時間の経過とともに獲得するようになったものです。 彼らは今、宇宙のエントロピーを支配している。 Ute Kraus, Physics education group Kraus, Universität Hildesheim; Axel Mellinger (background)
その答えはブラックホールである。 ブラックホールを作るために必要なすべての粒子を考えると、とてつもない数になります。 ブラックホールに落ちると、必然的に特異点にたどり着きます。 そして、その状態の数は、ブラックホールに含まれる粒子の質量に正比例するので、ブラックホールをたくさん作れば作るほど（ブラックホールが巨大化すればするほど）、宇宙のエントロピーが増大することになります。 天の川銀河の超巨大ブラックホールだけでも、エントロピーはS=1091kBで、ビッグバン時の宇宙全体よりも約1000倍も大きくなっているのです。 銀河の数とブラックホールの質量を考えると、現在のエントロピーはS = 10103 kBに達している。
銀河の中心にあるホール：射手座A*。 質量は約400万太陽で…エントロピーの大きさはビッグバン全体の約1000倍。 X線。 NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI
そして、これはさらに悪くなる一方なのです! 遠い将来、ますます多くのブラックホールが形成され、現在存在する大きなブラックホールは、今後1020年ぐらいは成長し続けるでしょう。 もし宇宙全体をブラックホールにしてしまうと、最大エントロピーはおよそS = 10123 kBに達し、現在のエントロピーよりも100兆倍も大きくなってしまうのです。 これらのブラックホールがさらに大きな時間スケールで崩壊するとき（最大で約10100年）、崩壊するブラックホールから発生する黒体（ホーキング）放射は、以前存在していたブラックホール自身と同じ数の可能な状態配列を持つので、エントロピーはほぼ一定に保たれます。 そしてホーキング放射のおかげで蒸発する。 ホーキング放射のおかげで蒸発し、水平線に一度コード化された情報が放射線に含まれなくなるため、そこで情報損失が発生します。 イラスト：NASA
では、なぜ初期の宇宙はそれほど低エントロピーだったのでしょうか。 それはブラックホールがなかったからです。 S = 1088 kB というエントロピーはまだ途方もなく大きな値ですが、これは宇宙全体のエントロピーであり、ビッグバンから残った放射線（と、やや少ない程度ですがニュートリノ）の中にほとんど符号化されています。 星や銀河など、宇宙を見渡したときに見える「もの」のエントロピーは、その残されたバックグラウンドに比べて無視できるほど小さいため、構造が形成されるとエントロピーが大きく変化すると思いがちだが、それは単なる偶然であって原因ではない。
宇宙が最初の星と最初のブラックホールを形成するまで、99%以上の精度で、宇宙のエントロピーは変化しなかった。 それが起こるまで、宇宙のエントロピーは、99％以上の精度で、変化しないままでした。 NASA/CXC/CfA/R. Kraft et al.
もしブラックホールというものがなければ、宇宙のエントロピーは過去138億年間、ほぼ一定だったはずです
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