Энтропия Вселенной

Второй закон термодинамики – один из тех загадочных законов природы, который возникает из ее фундаментальных правил. Он говорит о том, что энтропия, мера беспорядка во Вселенной, всегда должна увеличиваться в любой замкнутой системе.

Но как возможно, что наша сегодня, которая выглядит организованной и упорядоченной с помощью планетных систем, галактик и сложной космической структуры, каким-то образом находится в состоянии с более высокой энтропией, чем сразу после Большого взрыва, ведь кажется, что все должно быть наоборот.

Термодинамическая стрела времени подразумевает, что энтропия всегда возрастает, поэтому сегодня она больше, чем в прошлом.

И все же, если мы думаем об очень ранней Вселенной, она, безусловно, выглядит как состояние с высокой энтропией! Вообразите это: море частиц, включая вещество, антивещество, глюоны, нейтрино и , все вокруг несутся с энергиями в миллиарды раз выше, чем даже БАК может получить сегодня. Их было так много – всего около 1099 и все они находились в области размером с футбольный мяч. Прямо в момент Большого взрыва этот крошечный регион с этими чрезвычайно энергичными частицами вырастет во всю нашу наблюдаемую Вселенную в течение следующих 13,8 миллиардов лет.

Совершенно очевидно, что сегодня Вселенная намного холоднее, больше, более структурирована и однородна. Но мы можем фактически количественно оценить энтропию Вселенной в оба момента, в момент Большого взрыва и сегодня, с точки зрения постоянной Больцмана, kb. (kb = 1,380 649 * 10-23  Дж/К)

В момент Большого взрыва почти вся энтропия была обусловлена ​​излучением, а общая энтропия Вселенной составляла S = 1088 kb. С другой стороны, если сегодня мы вычислим энтропию Вселенной, она будет примерно в четыре миллиарда раз больше: S = 10103 kb. В то время как оба эти числа кажутся большими, первое число определенно имеет низкую энтропию по сравнению с последним: это всего лишь 0,0000000000001% от него!

Однако что важно иметь в виду, когда мы говорим об этих цифрах. Когда вы слышите такие термины, как «мера беспорядка», это на самом деле очень плохое описание того, что такое энтропия. Вместо этого представьте, что у вас есть любая система, которая вам нравится: материя, излучение, что угодно. Предположительно, там будет закодирована некоторая , будь то кинетическая, потенциальная, энергия поля или любой другой тип энергии. Что на самом деле измеряет энтропия, так это количество возможных вариантов состояния вашей системы.

Система, созданная в начальных условиях слева и позволяющая развиваться, станет системой справа спонтанно, приобретая при этом энтропию.

Если ваша система имеет, скажем, холодную часть и горячую часть, вы можете организовать ее меньшим количеством способов, чем если бы она была с одинаковой температурой. Система, слева вверху, является системой с более низкой энтропией, чем система справа.

Фотоны на космическом микроволновом фоне сегодня имеют практически ту же энтропию, что и при рождении Вселенной. Вот почему говорят, что Вселенная расширяется адиабатически, что означает постоянную энтропию. Хотя мы можем смотреть на галактики, звезды, планеты и т. д.  и удивляться тому, насколько упорядоченными или беспорядочными они кажутся, их энтропия незначительна. Так что же вызвало это огромное увеличение энтропии?

Ответ – черные дыры. Если вы подумаете обо всех частицах, которые образуют черную дыру, то получите огромное их количество. Попадая в черную дыру, вы неизбежно получаете сингулярность. И число состояний прямо пропорционально массам частиц в черной дыре, поэтому, чем больше черных дыр вы сформируете (или чем массивнее будут черные дыры), тем больше энтропии вы получаете во Вселенной.

Одна только сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути имеет энтропию S = 1091 kb, что примерно в 1000 раз больше, чем у всей Вселенной при Большом Взрыве. Учитывая количество галактик и массу черных дыр в целом, общая энтропия сегодня достигла значения S = 10103 kb.

И все это будет только ухудшаться! В далеком будущем будет образовываться все больше и больше черных дыр, и большие черные дыры, которые существуют сегодня, будут продолжать расти в течение следующих 1020 лет.

Если бы мы превратили всю вселенную в черную дыру, мы бы достигли максимальной энтропии примерно S = 10123 kb, или в 100 квинтиллионов раз больше, чем энтропия сегодня. Когда черные дыры распадутся в еще больших временных масштабах – примерно до 10100 лет – эта энтропия останется почти постоянной, поскольку излучение черного тела (излучение Хокинга), создаваемое распадающимися черными дырами, будет иметь такое же количество возможных состояний, что и ранее существовавшая черная дыра.

Так почему же в ранней Вселенной была настолько низкая энтропия? Потому что там не было черных дыр. Энтропия S = 1088 kb по-прежнему чрезвычайно велика, но это энтропия всей Вселенной, которая почти исключительно закодирована в остатке излучения (и, в несколько меньшей степени, нейтрино) от Большого взрыва. Поскольку объекты, которые мы видим, когда смотрим на Вселенную, такие как звезды, галактики и т. д., имеют незначительную энтропию по сравнению с этим оставшимся фоном, легко обмануть себя, полагая, что энтропия существенно изменяется в виде структурных форм, но это всего лишь совпадение, а не причина.

Если бы не было таких объектов, как черные дыры, энтропия Вселенной была бы почти постоянной на протяжении последних 13,8 миллиардов лет! То первичное состояние действительно имело значительную энтропию; просто у черных дыр ее намного больше.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

0 0 голос
Рейтинг
Войти с помощью: 
Подписаться
Уведомление о
guest
3 Комментарий
Первые
Последние Популярные
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Индикатор №1 Александр
Индикатор №1 Александр
Гость
1 месяц назад

Теория “Большого взрыва” это всего лишь теория объяснения математическим способом возникновения Вселенной. 1. Ничто из неоткуда не возникает. 2.Ничто никуда не исчезает. 3. Постоянное изменение состояния Вселенной – нет возврата к первоначальному исходному состоянию возбужденных элементарных частиц до “БВ”. Но так ли это? Перетекание массы по направляющим силовым линиям двухполюсной модели по типу магнита “N” и “S”, сжатых максимально близко, или диполя “+” и “-” где минус это зона с темной энергией и с массой темной материи – это зона остаточного не прореагировавшего вещества в момент “БВ” – анти-материя, которая и может объяснить не достающую часть материи и доказать не… Подробнее »

Марсианин
Марсианин
Гость
Ответить на  Индикатор №1 Александр
1 месяц назад

Ну это все спорно, может большой взрыв повторяется неоднократно

Хвостатый кот
Участник
1 месяц назад

“Если бы не было таких объектов, как черные дыры, энтропия Вселенной была бы почти постоянной на протяжении последних 13,8 миллиардов лет” – слава черным дырам! 🙂

Share via
3
0
Будем рады вашим мыслям, пожалуйста, прокомментируйте.x
()
x

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: