różnym czasom od Wielkiego Wybuchu. Entropia rosła zawsze. NASA, ESA, and A. Feild (STScI)
Drugie prawo termodynamiki jest jednym z tych zagadkowych praw natury, które po prostu wyłania się z fundamentalnych zasad. Mówi ono, że entropia, miara nieporządku we Wszechświecie, musi zawsze wzrastać w każdym zamkniętym systemie. Ale jak to możliwe, że nasz dzisiejszy Wszechświat, który wygląda na zorganizowany i uporządkowany z układami słonecznymi, galaktykami i skomplikowaną strukturą kosmiczną, jest w jakiś sposób w stanie wyższej entropii niż zaraz po Wielkim Wybuchu? To właśnie chce wiedzieć nasz zwolennik z Patreonu Patrick Dennis:
Powszechne rozumienie entropii i czasu sugeruje bardzo niski stan entropii zaraz po Wielkim Wybuchu. Jednak ten moment jest często opisywany jako „zupa” fotonów, kwarków i elektronów, coś, co w porównaniu z codziennymi podręcznikowymi przykładami wydaje się bardzo wysoką entropią…. W jaki sposób ten pierwotny stan jest niskotropowy?
Termodynamiczna strzałka czasu implikuje, że entropia zawsze idzie w górę, więc lepiej, żeby była większa dzisiaj niż w przeszłości.
promieniowania, i był tak gorący i gęsty, że obecne w nim kwarki i gluony nie formowały się w pojedyncze protony i neutrony, lecz pozostawały w plazmie kwarkowo-gluonowej. RHIC collaboration, Brookhaven
And yet, if we think about the very early Universe, it certainly looks like a high-entropy state! Wyobraźmy to sobie: morze cząstek, w tym materii, antymaterii, gluonów, neutrin i fotonów, a wszystkie one wirują przy energiach miliardy razy wyższych niż nawet LHC może dziś uzyskać. Było ich tak wiele – w sumie być może 10^90 – wszystkie upchnięte w objętości tak małej jak piłka nożna. Zaraz w momencie gorącego Wielkiego Wybuchu, ten maleńki region z tymi ogromnie energetycznymi cząstkami urósłby do naszego całego obserwowalnego Wszechświata w ciągu następnych 13,8 miliardów lat.
dzień dzisiejszy, przeszedł ogromną ilość wzrostu i ewolucji, i nadal to robi. NASA / CXC / M.Weiss
Jasno widać, że dzisiejszy Wszechświat jest dużo chłodniejszy, większy, bardziej pełny struktury i niejednolity. Ale możemy właściwie określić entropię Wszechświata w obu czasach, w momencie Wielkiego Wybuchu i dzisiaj, w kategoriach stałej Boltzmanna, kB. W momencie Wielkiego Wybuchu prawie cała entropia wynikała z promieniowania, a całkowita entropia Wszechświata wynosiła S = 1088kB. Z drugiej strony, jeśli obliczymy dzisiejszą entropię Wszechświata, okaże się, że jest ona około kwadryliona razy większa: S = 10103kB. Chociaż obie te liczby wydają się duże, pierwsza z nich jest zdecydowanie niskoprocentowa w porównaniu z drugą: jest tylko 0,000000000000001% większa!
bardziej zagęszczony i generujący światło gwiazd niż wczesny Wszechświat. Dlaczego więc entropia jest tak różna? ESA, NASA, K. Sharon (Tel Aviv University) i E. Ofek (Caltech)
Jest jednak ważna rzecz, o której należy pamiętać, gdy mówimy o tych liczbach. Kiedy słyszy się określenia takie jak „miara nieuporządkowania”, to jest to bardzo, bardzo słaby opis tego, czym właściwie jest entropia. Wyobraźmy sobie, że mamy dowolny system: materię, promieniowanie, cokolwiek. Przypuszczalnie będzie w nim zakodowana jakaś energia, czy to kinetyczna, potencjalna, energia pola, czy jakakolwiek inna. To, co entropia faktycznie mierzy, to liczba możliwych układów stanu twojego układu.
po lewej stronie i pozostawiony do ewolucji stanie się spontanicznie układem po prawej stronie, zyskując entropię w tym procesie. Wikimedia Commons users Htkym and Dhollm
Jeśli twój układ ma, powiedzmy, część zimną i część gorącą, możesz go ułożyć na mniej sposobów, niż gdyby całość miała tę samą temperaturę. System powyżej, po lewej stronie, jest systemem o niższej entropii niż ten po prawej. Fotony w kosmicznym mikrofalowym tle mają dziś praktycznie taką samą entropię, jak wtedy, gdy Wszechświat narodził się po raz pierwszy. To właśnie dlatego mówi się, że Wszechświat rozszerza się adiabatycznie, czyli ze stałą entropią. Podczas gdy my możemy patrzeć na galaktyki, gwiazdy, planety itp. i podziwiać, jak uporządkowane lub nieuporządkowane się wydają, ich entropia jest znikoma. Więc co spowodowało ten ogromny wzrost entropii?
z, ale z czasem urósł do jej uzyskania. Obecnie dominują w entropii Wszechświata. Ute Kraus, grupa edukacyjna fizyki Kraus, Universität Hildesheim; Axel Mellinger (tło)
Odpowiedzią są czarne dziury. Jeśli pomyślisz o wszystkich cząstkach, które wchodzą w skład czarnej dziury, to jest to ogromna liczba. Kiedy wpadniesz do czarnej dziury, nieuchronnie dotrzesz do osobliwości. Liczba stanów jest wprost proporcjonalna do masy cząstek w czarnej dziurze, więc im więcej czarnych dziur powstanie (lub im bardziej masywne staną się czarne dziury), tym więcej entropii będzie we Wszechświecie. Sama supermasywna czarna dziura w Drodze Mlecznej ma entropię S = 1091 kB, czyli około 1000 razy większą niż cały Wszechświat w momencie Wielkiego Wybuchu. Biorąc pod uwagę liczbę galaktyk i masę czarnych dziur w ogóle, całkowita entropia osiągnęła dziś wartość S = 10103 kB.
dziura w centrum naszej galaktyki: Sagittarius A*. Ma masę około czterech milionów Słońc… i entropię około 1000 razy większą niż cały Wielki Wybuch. Zdjęcie rentgenowskie: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI
A będzie tylko gorzej! W dalekiej przyszłości będzie powstawać coraz więcej czarnych dziur, a duże czarne dziury, które istnieją obecnie, będą się powiększać jeszcze przez około 1020 lat. Gdyby zamienić cały Wszechświat w czarną dziurę, osiągnęlibyśmy maksymalną entropię około S = 10123 kB, czyli czynnik 100 kwintylionów większy niż dzisiejsza entropia. Kiedy te czarne dziury rozpadają się w jeszcze większych skalach czasowych – do około 10100 lat – entropia pozostanie prawie stała, ponieważ promieniowanie czarnego ciała (Hawkinga) wytwarzane przez rozpadające się czarne dziury będzie miało taką samą liczbę możliwych układów stanów jak sama poprzednio istniejąca czarna dziura.
i wyparowują dzięki promieniowaniu Hawkinga. W tym miejscu następuje utrata informacji, ponieważ promieniowanie nie zawiera już informacji zakodowanej kiedyś na horyzoncie. Ilustracja NASA
Dlaczego więc wczesny Wszechświat był tak niskoentropowy? Ponieważ ono miewać żadny czarny dziura. Entropia S = 1088 kB to wciąż ogromnie duża wartość, ale jest to entropia całego Wszechświata, która jest prawie wyłącznie zakodowana w pozostałościach promieniowania (i, w nieco mniejszym stopniu, neutrin) z Wielkiego Wybuchu. Ponieważ „rzeczy”, które widzimy, gdy patrzymy na Wszechświat, takie jak gwiazdy, galaktyki, itp., mają znikomą entropię w porównaniu z tym pozostałym tłem, łatwo jest oszukać się w myśleniu, że entropia zmienia się znacząco wraz z tworzeniem się struktury, ale to tylko zbieg okoliczności, a nie przyczyna.
Wszechświat uformował swoją pierwszą gwiazdę i swoją pierwszą czarną dziurę. Dopóki to się nie stało, entropia Wszechświata, z dokładnością do ponad 99%, pozostała niezmieniona. NASA/CXC/CfA/R. Kraft et al.
Gdyby nie było takich rzeczy jak czarne dziury, entropia Wszechświata byłaby prawie stała przez ostatnie 13.8 miliardów lat! Ten pierwotny stan faktycznie miał znaczną ilość entropii; po prostu czarne dziury mają jej o wiele więcej i są tak łatwe do wykonania z kosmicznego punktu widzenia.
Wyślij swoje pytania do Ethana na adres startswithabang at gmail dot com!
Śledź mnie na Twitterze. Sprawdź moją stronę internetową lub niektóre z moich innych prac tutaj.