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 Вселенная 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 фотоны, 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 энергия, 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.

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.