en mängd olika gånger sedan Big Bang. Entropin har alltid ökat. NASA, ESA och A. Feild (STScI)
Thermodynamikens andra lag är en av de förbryllande naturlagar som helt enkelt uppstår ur de grundläggande reglerna. Den säger att entropin, ett mått på oordningen i universum, alltid måste öka i alla slutna system. Men hur är det möjligt att vårt universum i dag, som ser ut att vara organiserat och ordnat med solsystem, galaxer och intrikata kosmiska strukturer, på något sätt befinner sig i ett tillstånd med högre entropi än direkt efter Big Bang? Det är vad vår Patreon-supporter Patrick Dennis vill veta:
Den vanliga förståelsen av entropi och tid innebär ett mycket lågt entropiskt tillstånd precis efter Big Bang. Ändå beskrivs detta ögonblick ofta som en ”soppa” av fotoner, kvarkar och elektroner, något som i jämförelse med vardagliga exempel från läroböcker verkar ha en mycket hög entropi…. Hur kan det ursprungliga tillståndet ha låg entropi?
Den termodynamiska tidspilen innebär att entropin alltid ökar, så det är bäst att den är större i dag än tidigare.
strålning, och var så varmt och tätt att de kvarkar och gluoner som fanns inte formades till enskilda protoner och neutroner, utan stannade kvar i ett kvark-gluonplasma. RHIC-samarbetet, Brookhaven
Och ändå, om vi tänker på det mycket tidiga universum, ser det verkligen ut som ett tillstånd med hög entropi! Föreställ er det: ett hav av partiklar, inklusive materia, antimateria, gluoner, neutriner och fotoner, som alla susar runt vid energier som är miljarder gånger högre än vad till och med LHC kan uppnå i dag. Det fanns så många av dem – kanske 10^90 totalt – alla trängda i en volym som är lika liten som en fotboll. Direkt vid tidpunkten för den heta Big Bang skulle denna lilla region med dessa oerhört energirika partiklar växa till hela vårt observerbara universum under de kommande 13,8 miljarder åren.
i dag, genomgick en enorm tillväxt och utveckling, och fortsätter att göra det. NASA / CXC / M.Weiss
Helt klart är att universum i dag är mycket svalare, större, mer strukturerat och ojämnt. Men vi kan faktiskt kvantifiera universums entropi vid båda tidpunkterna, vid tidpunkten för Big Bang och idag, i termer av Boltzmanns konstant, kB. Vid tidpunkten för Big Bang berodde nästan all entropi på strålning, och universums totala entropi var S = 1088kB. Om vi däremot beräknar universums entropi i dag är den ungefär en kvadriljon gånger så stor: S = 10103kB. Även om båda dessa tal verkar stora är det förstnämnda talet definitivt lågt entropiskt jämfört med det sistnämnda: det är bara 0,00000000000000001% så stort!
mer klustrad och mer genererande av stjärnljus än vad det tidiga universum var. Varför är entropin så annorlunda? ESA, NASA, K. Sharon (Tel Aviv University) och E. Ofek (Caltech)
Det finns dock en viktig sak att tänka på när vi talar om dessa siffror. När man hör termer som ”ett mått på oordning” som man talar om är det faktiskt en mycket, mycket dålig beskrivning av vad entropi faktiskt är. Föreställ dig i stället att du har vilket system som helst: materia, strålning, vad som helst. Förmodligen kommer det att finnas någon energi kodad i det, oavsett om det är kinetisk, potentiell, fältenergi eller någon annan typ av energi. Vad entropin egentligen mäter är antalet möjliga arrangemang av ditt systems tillstånd.
vänster och som får utvecklas kommer spontant att bli systemet till höger och får entropi i processen. Wikimedia Commons-användare Htkym och Dhollm
Om ditt system har till exempel en kall del och en varm del kan du ordna det på färre sätt än om hela systemet har samma temperatur. Systemet ovan till vänster är ett system med lägre entropi än det till höger. Fotonerna i den kosmiska mikrovågsbakgrunden har praktiskt taget samma entropi i dag som de hade när universum föddes. Det är därför man säger att universum expanderar adiabatiskt, det vill säga med en konstant entropi. Även om vi kan titta på galaxer, stjärnor, planeter osv. och förundras över hur ordnade eller oordnade de verkar vara, är deras entropi försumbar. Så vad orsakade den enorma ökningen av entropin?
med, men har vuxit till sig med tiden. De dominerar nu universums entropi. Ute Kraus, Physics education group Kraus, Universität Hildesheim; Axel Mellinger (bakgrund)
Svaret är svarta hål. Om man tänker på alla partiklar som ingår i tillverkningen av ett svart hål är det ett enormt antal. När man väl faller in i ett svart hål kommer man oundvikligen fram till en singularitet. Och antalet tillstånd är direkt proportionellt mot massorna av partiklarna i det svarta hålet, så ju fler svarta hål du bildar (eller ju mer massiva dina svarta hål blir), desto mer entropi får du i universum. Bara Vintergatans supermassiva svarta hål har en entropi som är S = 1091 kB, ungefär en faktor 1000 mer än hela universum vid Big Bang. Med tanke på antalet galaxer och de svarta hålens massa i allmänhet har den totala entropin idag nått ett värde på S = 10103 kB.
Hålet i centrum av vår galax: Sagittarius A*. Det har en massa på ungefär fyra miljoner solar… och en entropi som är ungefär 1000 gånger större än hela Big Bang. Röntgenstrålar: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI
Och detta kommer bara att bli värre! I en avlägsen framtid kommer fler och fler svarta hål att bildas, och de stora svarta hålen som finns i dag kommer att fortsätta att växa under ungefär de kommande 1020 åren. Om man skulle förvandla hela universum till ett svart hål skulle vi nå en maximal entropi på ungefär S = 10123 kB, eller en faktor 100 kvintiljoner större än entropin idag. När dessa svarta hål sönderfaller på ännu större tidsskalor – upp till cirka 10100 år – kommer denna entropi att förbli nästan konstant, eftersom den svartkroppsstrålning (Hawking-strålning) som produceras av de sönderfallande svarta hålen kommer att ha samma antal möjliga tillståndsarrangemang som det tidigare existerande svarta hålet självt.
och avdunstar tack vare Hawkingstrålning. Det är där informationsförlusten sker, eftersom strålningen inte längre innehåller den information som en gång var kodad på horisonten. Illustration av NASA
Så varför var det tidiga universum så lågentropiskt? Därför att det inte hade några svarta hål. En entropi på S = 1088 kB är fortfarande ett oerhört stort värde, men det är entropin för hela universum, som nästan uteslutande är kodad i den överblivna strålningen (och, i något mindre utsträckning, neutriner) från Big Bang. Eftersom de ”saker” som vi ser när vi tittar ut i universum, som stjärnor, galaxer etc., har en försumbar entropi jämfört med den överblivna bakgrunden, är det lätt att lura oss själva att tro att entropin förändras avsevärt när struktur bildas, men det är bara en tillfällighet, inte orsaken.
universum för att bilda sin allra första stjärna och sitt allra första svarta hål. Innan detta skedde förblev universums entropi oförändrad med mer än 99 procents noggrannhet. NASA/CXC/CfA/R. Kraft et al.
Om det inte fanns några svarta hål skulle universums entropi ha varit nästan konstant under de senaste 13,8 miljarder åren! Det ursprungliga tillståndet hade faktiskt en avsevärd mängd entropi; det är bara det att svarta hål har så mycket mer, och är så lätta att skapa ur ett kosmiskt perspektiv.
Skicka in dina Ask Ethan frågor till startswithabang at gmail dot com!
Följ mig på Twitter. Kolla in min webbplats eller några av mina andra arbeten här.