o varietate de ori de la Big Bang. Entropia a crescut întotdeauna. NASA, ESA și A. Feild (STScI)
Cea de-a doua lege a termodinamicii este una dintre acele legi enigmatice ale naturii care pur și simplu reiese din regulile fundamentale. Aceasta spune că entropia, o măsură a dezordinii din Univers, trebuie să crească întotdeauna în orice sistem închis. Dar cum este posibil ca Universul nostru de astăzi, care pare a fi organizat și ordonat, cu sisteme solare, galaxii și o structură cosmică complexă, să se afle cumva într-o stare de entropie mai mare decât imediat după Big Bang? Asta vrea să știe Patrick Dennis, susținătorul nostru Patreon:
Înțelegerea comună a entropiei și a timpului implică o stare de entropie foarte scăzută imediat după Big Bang. Cu toate acestea, acel moment este deseori descris ca o „supă” de fotoni, quarci și electroni, ceva care, prin comparație cu exemplele din manualele de zi cu zi, pare a avea o entropie foarte mare…. Cum poate fi acea stare primordială cu entropie scăzută?
Săgeata termodinamică a timpului implică faptul că entropia crește întotdeauna, așa că ar fi bine ca ea să fie mai mare astăzi decât a fost în trecut.
radiații, și era atât de fierbinte și dens încât quarcii și gluonii prezenți nu s-au format în protoni și neutroni individuali, ci au rămas într-o plasmă de quarc-gluoni. Colaborarea RHIC, Brookhaven
Și totuși, dacă ne gândim la Universul foarte timpuriu, cu siguranță arată ca o stare de înaltă entropie! Imaginați-vă: o mare de particule, inclusiv materie, antimaterie, gluoni, neutrini și fotoni, toate zburdând în jurul lor la energii de miliarde de ori mai mari decât poate obține astăzi chiar și LHC-ul. Erau atât de multe – poate 10^90 în total – toate înghesuite într-un volum la fel de mic ca o minge de fotbal. Chiar în clipa fierbinte a Big Bang-ului, această regiune minusculă cu aceste particule extrem de energetice avea să se transforme în întregul nostru Univers observabil în următorii 13,8 miliarde de ani.
prezent, a suferit o creștere și o evoluție uriașe și continuă să o facă. NASA / CXC / M.Weiss
În mod clar, Universul actual este mult mai rece, mai mare, mai plin de structură și neuniform. Dar, de fapt, putem cuantifica entropia Universului în ambele momente, în momentul Big Bang-ului și astăzi, în termeni de constantă a lui Boltzmann, kB. În momentul Big Bang-ului, aproape toată entropia era datorată radiației, iar entropia totală a Universului era S = 1088kB. Pe de altă parte, dacă calculăm entropia Universului de astăzi, aceasta este de aproximativ un cvadrilion de ori mai mare: S = 10103kB. În timp ce ambele numere par mari, primul este cu siguranță un număr cu entropie scăzută în comparație cu cel de-al doilea: este doar 0,0000000000001% la fel de mare!
mai aglomerat și mai generator de lumină stelară decât era Universul timpuriu. Atunci de ce este entropia atât de diferită? ESA, NASA, K. Sharon (Universitatea din Tel Aviv) și E. Ofek (Caltech)
Există totuși un lucru important de reținut atunci când vorbim despre aceste numere. Atunci când auziți termeni precum „o măsură a dezordinii”, aceasta este de fapt o descriere foarte, foarte slabă a ceea ce este de fapt entropia. Imaginați-vă, în schimb, că aveți orice sistem pe care îl doriți: materie, radiație, orice. Presupunem că va exista o anumită energie codificată acolo, fie că este vorba de energie cinetică, potențială, de câmp sau de orice alt tip. Ceea ce măsoară de fapt entropia este numărul de aranjamente posibile ale stării sistemului dumneavoastră.
stânga și lăsat să evolueze va deveni sistemul din dreapta în mod spontan, câștigând entropie în acest proces. Utilizatorii Wikimedia Commons Htkym și Dhollm
Dacă sistemul dvs. are, să zicem, o parte rece și una caldă, îl puteți aranja în mai puține moduri decât dacă întregul lucru are aceeași temperatură. Sistemul de mai sus, din stânga, este un sistem cu entropie mai mică decât cel din dreapta. Fotonii din fondul cosmic de microunde au practic aceeași entropie astăzi ca atunci când Universul a luat naștere. Acesta este motivul pentru care se spune că Universul se extinde adiabatic, ceea ce înseamnă cu o entropie constantă. Deși ne putem uita la galaxii, stele, planete etc. și ne putem minuna de cât de ordonate sau dezordonate par a fi, entropia lor este neglijabilă. Așadar, ce a cauzat această creștere enormă a entropiei?
cu, dar a crescut să dobândească în timp. Ele domină acum entropia Universului. Ute Kraus, Physics education group Kraus, Universität Hildesheim; Axel Mellinger (background)
Răspunsul este găurile negre. Dacă vă gândiți la toate particulele care intră în alcătuirea unei găuri negre, este un număr imens. Odată ce cădeți într-o gaură neagră, ajungeți în mod inevitabil la o singularitate. Iar numărul de stări este direct proporțional cu masele particulelor din gaura neagră, așa că, cu cât se formează mai multe găuri negre (sau cu cât găurile negre devin mai masive), cu atât mai multă entropie se obține în Univers. Numai gaura neagră supermasivă a Căii Lactee are o entropie de S = 1091 kB, cu aproximativ 1.000 de ori mai mare decât cea a întregului Univers la Big Bang. Având în vedere numărul de galaxii și masele găurilor negre în general, entropia totală a ajuns astăzi la o valoare de S = 10103 kB.
gaura din centrul galaxiei noastre: Sagittarius A*. Are o masă de aproximativ patru milioane de Sori… și o entropie de aproximativ 1000 de ori mai mare decât cea a întregului Big Bang. Raze X: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI
Și acest lucru nu va face decât să se înrăutățească! În viitorul îndepărtat, se vor forma din ce în ce mai multe găuri negre, iar găurile negre mari care există astăzi vor continua să crească în următorii aproximativ 1020 de ani. Dacă ar fi să transformăm întregul Univers într-o gaură neagră, am ajunge la o entropie maximă de aproximativ S = 10123 kB, sau cu un factor de 100 de quintilioane mai mare decât entropia de astăzi. Atunci când aceste găuri negre se dezintegrează pe scări temporale și mai mari – până la aproximativ 10100 de ani – această entropie va rămâne aproape constantă, deoarece radiația corpului negru (Hawking) produsă de găurile negre în descompunere va avea același număr de aranjamente de stări posibile ca și gaura neagră existentă anterior.
și se evaporă datorită radiației Hawking. Acolo are loc pierderea de informații, deoarece radiația nu mai conține informația codificată odată pe orizont. Ilustrație realizată de NASA
Atunci de ce era Universul timpuriu atât de puțin entropic? Pentru că nu avea găuri negre. O entropie de S = 1088 kB este încă o valoare extrem de mare, dar este entropia întregului Univers, care este aproape exclusiv codificată în radiația rămasă (și, într-o măsură ceva mai mică, în neutrini) de la Big Bang. Deoarece „lucrurile” pe care le vedem atunci când privim Universul, cum ar fi stelele, galaxiile etc., au o entropie neglijabilă în comparație cu acest fond rezidual, este ușor să ne amăgim pe noi înșine crezând că entropia se schimbă semnificativ pe măsură ce se formează o structură, dar aceasta este doar o coincidență, nu cauza.
Universul să formeze prima sa stea și prima sa gaură neagră. Până când acest lucru s-a întâmplat, entropia Universului, cu o precizie de peste 99%, a rămas neschimbată. NASA/CXC/CfA/R. Kraft et al.
Dacă nu ar fi existat găurile negre, entropia Universului ar fi fost aproape constantă în ultimii 13,8 miliarde de ani! Acea stare primordială avea de fapt o cantitate considerabilă de entropie; doar că găurile negre au mult mai multă și sunt atât de ușor de realizat din punct de vedere cosmic.
Trimiteți întrebările dumneavoastră Ask Ethan la startswithabang at gmail dot com!
Urmăriți-mă pe Twitter. Consultați site-ul meu sau o parte din celelalte lucrări ale mele aici.