Рост энтропии во вселенной

Энтропия Вселенной и парадокс черных дыр

Знаменитый ученый Стивен Хокинг много размышлял о природе черных дыр. И еще он очень хотел найти связь между квантовой механикой и гравитацией. Это привело его к размышлениям об энтропии. Эта концепция настолько фундаментальна, что важна не только для физики повседневной жизни. Но и для понимания природы самого времени.

Энтропия

Что же такое энтропия? Если говорить простыми словами — это уровень беспорядка в какой-нибудь изначально упорядоченной системе. В принципе, ничего сложного. Омлет, например, имеет более высокую степень энтропии, чем яйцо, из которого он был изготовлен. Куча кирпичей и деревянных досок обладает большей энтропией, чем дом. Ведь каждый кирпич или доска находятся в нем на своем месте.

Принцип, согласно которому общая энтропия в системе (или во Вселенной) должна увеличиваться со временем, известен как Второй закон термодинамики.

Этот закон не говорит о том, что Вы не можете превратить кучу кирпичей и досок в дом. Или что разбитое яйцо нельзя собрать обратно, склеить скорлупу и покрасить его известью, что бы стало все как было. Он просто говорит о том, что уменьшение энтропии в одном месте ведет к увеличению энтропии в другом. Что это значит?

Пример. Вы строите дом из кучи кирпичей и досок. Уменьшая тем самым степень энтропии в каком-то локальном месте. В данном случае пусть это будут тещины 6 соток где-то под Чебоксарами. Забивая гвозди и складывая в нужном порядке кирпичи, Вы тратите энергию. Часть этой энергии будет проявляться в виде тепла, которое будет излучаться в окружающую среду. Что делает воздух вокруг Вас, образно говоря, «грязным». Частицы воздуха нагреются от выделяемого Вами тепла. А более высокие температуры означают более высокую энтропию. Потому что частицы начинают более энергично и хаотично двигаться случайным образом после нагревании.

Ваша работа неизбежно создаст достаточно энтропии, которое компенсирует упорядоченное расположение кирпичей.

Итак, о чем это мы? Ах, да. Какое отношение имеет вся эта история к черным дырам?

Черные дыры: мы то тут при чем?

И кандидаты в доктора начали задавать друг другу странные вопросы. Например: что будет, если взять объект, который имеет высокую энтропию, и бросить со всего размаху в черную дыру? Куда денется вся его энтропия? Мы что, только что нарушили Второй закон термодинамики, уменьшив количество энтропии во Вселенной? Но это же противоречит всем нашим знаниям и теориям!

Мохнатые бороды и седые головы приуныли. Единственная гипотеза, которую выдвинули физики, чтобы объяснить очевидный парадокс, говорила о том, что вероятнее всего сами черные дыры должны иметь какую-то энтропию.

Правила термодинамики гласят, что для того, чтобы иметь определенную энтропию, черная дыра должна иметь определенную температуру. И она должна производить какое-то тепло, которое может быть воспринято кем-то за ее пределами. Это означает, что должен существовать способ покинуть черную дыру. Что опять же противоречило официальной науке.

Чтобы разобраться во всех этих чудных делах, Хокинг совершил глубокое погружение в постулаты общей теории относительности и квантовой механики.

Когда он вынырнул оттуда, вид у него был усталый, но довольный. Были сделаны необходимые расчеты. И оказалось, что черные дыры должны излучать тепло, которое получило название излучение Хокинга. Это предсказание создало совершенно новые парадоксы. Которые физики не могут разрешить и по сей день.

Время течет непрерывно, уверенно и всегда в одну сторону

Но энтропия оказалась проблемой еще более глубокой. Многие физики утверждают, что неуклонное увеличение энтропии ответственно за направление течения самого времени. Большая часть физики прекрасно работает в прямом или обратном направлении времени. Однако энтропия увеличивается только в одну сторону. Поэтому мы можем помнить прошлое, но не можем предвидеть будущее. Лишь стрела времени определяет то, в каком направлении развивается энтропия.

В великих традициях физики каждое новое открытие создает все новые и новые вопросы. Соединение стрелы времени с ростом энтропии поднимает острый вопрос о том, как вообще Вселенной удалось родиться в состоянии, в котором энтропия была настолько низкой, что она смогла продолжать расти все прошедшее время.

У нас пока нет ответа на этот вопрос. Но мы надеемся, что он может помочь нам лучше понять, как возникла Вселенная. И какова будет ее судьба, когда энтропия достигнет своего максимального состояния. Будет ли это означать конец всех времен?

Источник

Энтропия Вселенной и парадокс черных дыр

Энтропия

Итак, о чем это мы? Ах, да. Какое отношение имеет вся эта история к черным дырам?

Черные дыры: мы то тут при чем?

Время течет непрерывно, уверенно и всегда в одну сторону

Друзья! Если вам понравилась эта статья, ставьте лайк и подписывайтесь на наш канал! Спасибо!

Источник

Что такое энтропия и почему Вселенная стремится к её увеличению?

Многие из нас наверняка слышали слово «энтропия», а некоторые из этих многих наверняка знают, что оно как-то связано с хаотичностью, беспорядком. Тем не менее, физический смысл этого понятия довольно сложен для понимания обывателем, так как плотно связан с термодинамикой.

Объяснять, что такое энтропия на пальцах – занятие неблагодарное. Обязательно найдутся те, кто усмотрит в этом объяснении неточности и натяжки. Получается, что значение этого слова может быть понятно только физикам, изучившим труды Рудольфа Клаузиуса и Людвига Больцмана? Пусть так, но попытка – не пытка, обычные люди, интересующиеся наукой, тоже имеют право понимать хотя бы в общих чертах значение этого слова.

Если объяснять на пальцах, без всяких заумностей, с бытовыми примерами, то можно сказать, что энтропия – это мера хаотичности в замкнутой системе. Чем более равномерно распределены вещи в пространстве, тем больше энтропия.

Мы бросаем в стакан с кипятком кусок сахара – и энтропия этого состояния предельно мала. Но вот сахар растворился в воде, и его молекулы равномерно распределились по всему замкнутому объему стакана – и энтропия стала огромной.

Так как энтропия – эта мера хаоса, то ее можно измерить. Скажем, жена ругает мужа за разбросанные по комнате носки. Муж каждый раз разбрасывает свои носки по-разному, и не бывает такого, чтобы носок лежал на том же месте, что и вчера – по сути, абсолютно точное местоположение носка вообще никогда в жизни не повторяется.

Если мы попробуем подсчитать количество возможных состояний носков, то выясним, что это число (энтропия) стремится к бесконечности. В то же время, носки, лежащие стопкой на своем месте в шкафу, имеют небольшую энтропию, определяемую только порядком следования носков в стопке. То есть, энтропия, по сути, является количеством пронумерованных состояний системы.

Любая изолированная система, будь то колба с газом или наша Вселенная, стремится к большой энтропии. Второе начало термодинамики гласит, что в изолированной системе самопроизвольно могут протекать только такие процессы, которые ведут к увеличению энтропии, то есть, к неупорядоченности системы .

Например, если мы в пустую колбу внесем некоторое количество газа, то вряд ли все молекулы газа соберутся у одной стенки или в центре (хотя чисто теоретически это возможно). Газ будет равномерно распределен по всему объему системы. Кстати, у братьев Стругацких в повести «Стажеры» есть прекрасная иллюстрация этого понятия в главе «Рассказ о гигантской флуктуации».

Обычно энтропия растет до больших значений – таким образом замкнутая система ищет состояние своего равновесия. И это можно наблюдать на всех уровнях – от микроскопических до макроскопических. В общем смысле всё вокруг нас стремится к хаосу – здания рушатся, люди умирают, горы разрушаются, умирают звезды и планетные системы. И эта энтропия самопроизвольно уменьшиться не может. Для уменьшения ее необходимо приложить энергию, которая будет потрачена на приведение системы в порядок. Но как только мы перестанем прикладывать энергию, энтропия начнет расти и хаос снова увеличится.

Из закона увеличения энтропии следует вывод и о неизбежной тепловой смерти Вселенной – со временем все звезды потухнут, и вся Вселенная станет темной и холодной. Но это не точно, ибо о Вселенной известно пока слишком мало.

Источник

Энтропия Вселенной

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

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 10 99 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 = 10 88 kb. С другой стороны, если сегодня мы вычислим энтропию Вселенной, она будет примерно в четыре миллиарда раз больше: S = 10 103 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.

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 = 10 91 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 = 10 103 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 10 20 лет.

Если бы мы превратили всю вселенную в черную дыру, мы бы достигли максимальной энтропии примерно S = 10 123 kb, или в 100 квинтиллионов раз больше, чем энтропия сегодня. Когда черные дыры распадутся в еще больших временных масштабах – примерно до 10 100 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 = 10 88 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.

Источник