een verscheidenheid van tijden sinds de Big Bang. Entropie is altijd toegenomen. NASA, ESA, en A. Feild (STScI)
De tweede wet van de thermodynamica is een van die raadselachtige natuurwetten die eenvoudig uit de fundamentele regels naar voren komen. De wet zegt dat de entropie, een maat voor de wanorde in het heelal, in elk gesloten systeem altijd moet toenemen. Maar hoe is het mogelijk dat ons huidige heelal, dat georganiseerd en geordend lijkt te zijn met zonnestelsels, sterrenstelsels en ingewikkelde kosmische structuren, zich op de een of andere manier in een hogere-entropische toestand bevindt dan vlak na de oerknal? Dat is wat onze Patreon-supporter Patrick Dennis wil weten:
Het gangbare begrip van entropie en tijd impliceert een zeer lage-entropie toestand vlak na de Big Bang. Toch wordt dat moment vaak beschreven als een “soep” van fotonen, quarks en elektronen, iets dat, in vergelijking met alledaagse schoolboekvoorbeelden, een zeer hoge entropie lijkt te hebben…. Hoe kan die oertoestand een lage entropie hebben?
De thermodynamische pijl van de tijd impliceert dat de entropie altijd toeneemt, dus kan die nu maar beter groter zijn dan in het verleden.
straling, en was zo heet en dicht dat de aanwezige quarks en gluonen zich niet tot individuele protonen en neutronen vormden, maar in een quark-gluon plasma bleven. RHIC samenwerking, Brookhaven
En toch, als we denken aan het allereerste heelal, lijkt het zeker op een toestand met hogeentropie! Stel je voor: een zee van deeltjes, waaronder materie, antimaterie, gluonen, neutrino’s en fotonen, die allemaal rondzweven met energieën die miljarden keren hoger zijn dan zelfs de LHC vandaag de dag kan bereiken. Ze waren met zovelen – misschien wel 10^90 in totaal – allemaal samengeperst in een volume zo klein als een voetbal. Op het moment van de hete oerknal zou dit kleine gebied met deze enorm energetische deeltjes uitgroeien tot ons hele waarneembare heelal in de volgende 13,8 miljard jaar.
op de dag van vandaag, heeft een enorme hoeveelheid groei en evolutie ondergaan, en doet dat nog steeds. NASA / CXC / M.Weiss
Het is duidelijk dat het heelal van vandaag veel koeler, groter, structuurvoller en niet-uniformer is. Maar we kunnen de entropie van het heelal op beide momenten, op het moment van de oerknal en nu, kwantificeren in termen van de constante van Boltzmann, kB. Op het moment van de Big Bang was bijna alle entropie toe te schrijven aan straling, en was de totale entropie van het heelal S = 1088kB. Als we daarentegen de entropie van het heelal van vandaag berekenen, is die ongeveer een quadriljoen keer zo groot: S = 10103kB. Hoewel beide getallen groot lijken, is het eerste getal zeer zeker laag-entropisch vergeleken met het tweede: het is slechts 0,0000000000001% zo groot!
meer geclusterd, en meer sterrenlicht genererend dan het vroege heelal was. Waarom is de entropie dan zo verschillend? ESA, NASA, K. Sharon (Tel Aviv University) en E. Ofek (Caltech)
Er is echter een belangrijk ding dat we in gedachten moeten houden als we het over deze getallen hebben. Als je termen hoort als “een maat voor wanorde”, dan is dat eigenlijk een heel, heel slechte beschrijving van wat entropie eigenlijk is. Stel je in plaats daarvan voor dat je een systeem hebt, wat je maar wilt: materie, straling, wat dan ook. Vermoedelijk zit er wat energie in gecodeerd, of het nu kinetische, potentiële, veldenergie of een ander type is. Wat entropie eigenlijk meet is het aantal mogelijke regelingen van de toestand van je systeem.
links en zich laat evolueren zal spontaan het systeem rechts worden, waarbij het aan entropie wint.”>Ze domineren nu de entropie van het heelal. Ute Kraus, Natuurkunde onderwijsgroep Kraus, Universität Hildesheim; Axel Mellinger (achtergrond)
Het antwoord is zwarte gaten. Als je nadenkt over alle deeltjes die een zwart gat maken, dan is dat een enorm aantal. Als je eenmaal in een zwart gat valt, kom je onvermijdelijk uit bij een singulariteit. En het aantal toestanden is recht evenredig met de massa’s van de deeltjes in het zwarte gat, dus hoe meer zwarte gaten je vormt (of hoe massiever je zwarte gaten worden), hoe meer entropie je in het heelal krijgt. Het superzware zwarte gat van de Melkweg alleen al heeft een entropie van S = 1091 kB, ongeveer een factor 1000 meer dan het hele heelal bij de oerknal. Gezien het aantal sterrenstelsels en de massa’s van zwarte gaten in het algemeen, heeft de totale entropie vandaag een waarde bereikt van S = 10103 kB.
gat in het centrum van ons melkwegstelsel: Sagittarius A*. Het heeft een massa van ongeveer vier miljoen zonnen… en een entropie van ongeveer 1000 keer die van de hele oerknal. Röntgenfoto: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI
En dit zal alleen maar erger worden! In de verre toekomst zullen zich meer en meer zwarte gaten vormen, en de grote zwarte gaten die er nu zijn zullen de komende 1020 jaar blijven groeien. Als je het hele heelal in een zwart gat zou veranderen, dan zouden we een maximale entropie bereiken van ongeveer S = 10123 kB, oftewel een factor 100 quintiljoen groter dan de entropie van vandaag. Wanneer deze zwarte gaten vervallen op nog grotere tijdschalen – tot ongeveer 10100 jaar – zal die entropie bijna constant blijven, omdat de blackbody (Hawking) straling die door de rottende zwarte gaten wordt geproduceerd hetzelfde aantal mogelijke toestandsindelingen zal hebben als het voorheen bestaande zwarte gat zelf.
en verdampen dankzij Hawkingstraling. Dat is waar informatieverlies optreedt, omdat de straling niet langer de informatie bevat die ooit aan de horizon is gecodeerd. Illustratie van NASA
Dus waarom was het vroege heelal zo laag-entropisch? Omdat het geen zwarte gaten had. Een entropie van S = 1088 kB is nog steeds een enorm grote waarde, maar het is de entropie van het hele heelal, die bijna uitsluitend is gecodeerd in de overgebleven straling (en, in iets mindere mate, neutrino’s) van de oerknal. Omdat de “dingen” die we zien als we naar het heelal kijken, zoals sterren, sterrenstelsels, enzovoort, een verwaarloosbare entropie hebben vergeleken met die overgebleven achtergrondstraling, kunnen we onszelf gemakkelijk wijsmaken dat de entropie aanzienlijk verandert als er structuur wordt gevormd, maar dat is slechts toeval, niet de oorzaak.
het heelal om zijn allereerste ster te vormen, en zijn allereerste zwarte gat. Totdat dat gebeurde, bleef de entropie van het heelal met een nauwkeurigheid van meer dan 99% ongewijzigd. NASA/CXC/CfA/R. Kraft et al.
Als er geen zwarte gaten bestonden, zou de entropie van het heelal de afgelopen 13,8 miljard jaar bijna constant zijn geweest! Die oertoestand had in feite een aanzienlijke hoeveelheid entropie; het is alleen zo dat zwarte gaten zoveel meer hebben, en zo gemakkelijk te maken zijn vanuit een kosmisch perspectief.
Stuur je Ask Ethan-vragen naar startswithabang at gmail dot com!
Volg me op Twitter. Bekijk mijn website of een deel van mijn andere werk hier.