Evrendeki en dokunulmaz kanunlardan biri termodinamiğin ikinci yasasıdır: Dış çevre ile hiçbir şeyin değiş tokuş edilmediği herhangi bir fiziksel sistemde entropi her zaman artar. Bu sadece Evrenimizdeki kapalı bir sistem için değil, tüm Evren için de geçerlidir. Bugün Evren'e bakarsanız ve zamanın herhangi bir noktasında onu Evren ile karşılaştırırsanız, tüm kozmik tarihimiz boyunca entropinin istisnasız her zaman yükseldiğini ve artmaya devam ettiğini göreceksiniz. Ama ya en eski zamanlara, Büyük Patlama'nın ilk anlarına kadar gidersek? Entropi her zaman artmışsa, bu Big Bang'in entropisinin sıfır olduğu anlamına mı gelir? Vratislav Houdek'in bilmek istediği şey bu:
“İkinci termodinamik yasaya göre toplam entropi her zaman büyüyor. Büyük patlama anında entropinin minimum olduğu (sıfır?), Yani evrenin maksimum düzeyde organize edildiği anlamına mı geliyor? "
Cevap, belki de şaşırtıcı bir şekilde, hayır . Evren sadece maksimum düzeyde organize olmadı, aynı zamanda sıcak Büyük Patlama'nın ilk aşamalarında bile oldukça büyük bir entropiye sahipti. Dahası, "düzensizliği" entropiyi tanımlamanın hazırlıksız bir yolu olarak kullansak da, "organize" onu düşünmenin pek de sağlam bir yolu değildir. Tüm bunların ne anlama geldiğini açıklayalım.
Sıcak Büyük Patlama'nın ilk aşamalarında Evren hakkında düşündüğümüzde, bugün sahip olduğumuz tüm madde ve radyasyonu - şu anda yaklaşık 92 milyar ışık yılı çapında bir küreye yayılmış - bir hacme sığdırılmış olarak hayal ediyoruz. bir futbol topu büyüklüğünde . CERN'deki Büyük Hadron Çarpıştırıcısının bile başarabildiğinin milyarlarca katı muazzam enerjilere sahip bazı 10⁹⁰ parçacık, antiparçacık ve radyasyon miktarıyla inanılmaz derecede sıcak ve yoğundur. Bu içerir:
Peki entropi aslında ne anlama geliyor? Bunun bir düzensizlik ölçüsü gibi konuşuyoruz: Yerdeki kırık bir yumurtanın tezgâhındaki kırılmamış yumurtadan daha fazla entropisi vardır; soğuk bir parça krema ve bir fincan sıcak kahve, ikisinin iyi karıştırılmış kombinasyonundan daha az entropiye sahiptir; kaotik bir giysi yığını, tüm giysiler katlanmış ve organize bir şekilde kaldırılmış düzgün bir şifonyer çekmecesine göre daha yüksek bir entropiye sahiptir. Bu örneklerin tümü daha yüksek entropiye karşı daha düşük entropi durumunu doğru bir şekilde tanımlasa da, entropiyi ölçmemize izin veren tam olarak "düzen" veya "düzensizlik" değildir.
Bunun yerine, düşünmemiz gereken şey - sistemde bulunan tüm parçacıklar, antiparçacıklar vb. İçin - her parçacığın kuantum halinin ne olduğu veya hangi kuantum hallerine izin verildiğidir. Oyna. Bozukluk gibi belirsiz bir özellikten ziyade, entropinin gerçekte ölçtüğü şey şudur:
tüm sisteminizin kuantum durumunun olası düzenlemelerinin sayısı.
Örneğin yukarıdaki iki sistemi ele alalım. Solda ortada bölücü bulunan bir kutunun bir tarafında soğuk gaz, diğer tarafında sıcak gaz vardır; sağda, bölücü açılır ve tüm kutuda aynı sıcaklıkta gaz bulunur. Hangi sistemde daha fazla entropi var? Sağdaki iyi karıştırılmış olanı, çünkü kuantum durumlarını düzenlemenin (veya takas etmenin) daha fazla yolu vardır; tüm parçacıklar aynı özelliklere sahipken, yarısının bir dizi özelliğe ve yarısının başka, farklı özelliklere sahip olduğu duruma göre.
Evren son derece gençken, içinde belirli bir enerji dağılımına sahip belirli sayıda parçacık vardı. Bu erken aşamalardaki entropinin neredeyse tamamı radyasyondan kaynaklanıyordu; eğer hesaplarsak, toplam entropinin S = 10⁸⁸ k_B civarında olduğunu buluruz , burada k_B Boltzmann sabitidir. Ancak, enerji yayan bir reaksiyon her meydana geldiğinde, örneğin:
Bugün, Evrenimizin entropisine en büyük katkı sağlayan kara delikler, bugünün entropisi Büyük Patlama'nın ilk aşamalarında olduğundan katrilyon kat daha büyük bir değere ulaşıyor: S = 10¹⁰³ k_B . Bir kara delik için entropi, karadeliğin yüzey alanıyla orantılıdır ve bu, daha ağır karadelikler için daha büyüktür. Samanyolu'nun süper kütleli kara deliği, tek başına yaklaşık S = 10⁹¹ k_B'lik bir entropiye veya sıcak Büyük Patlama'nın ilk aşamalarında tüm Evren'den yaklaşık 1000 kat daha fazla bir entropiye sahiptir .
Zamanla, kozmik saat ilerlemeye devam ettikçe, en ağır kara delikler kütle kazanırken, gittikçe daha fazla kara delik oluşturacağız. Bundan yaklaşık 10²⁰ yıl sonra, entropi maksimuma ulaşacak, belki de Evren kütlesinin% 1'ine kadar kara delikler oluşturacak ve bize S = 10¹¹⁹ k_B ile S = 10¹²¹ k_B aralığında bir entropi verecek , bir entropi Bu kara delikler eninde sonunda Hawking radyasyonuyla bozunduğundan (muhtemelen) korunacak , yaratılmayacak veya yok edilmeyecek.
Ancak bu yalnızca zamanla muazzam bir şekilde genişleyen gözlemlenebilir Evren içindir. Bunun yerine entropi yoğunluğunu - veya gözlemlenebilir Evrenin entropisinin gözlemlenebilir Evrenin hacmine bölünmesini - karşılaştırırsak, bu çok farklı bir hikaye anlatır.
Yaklaşık 0,1 metre yarıçaplı bir futbol topunun hacmi yaklaşık 0,004 metreküptür, bu da çok erken Evren'in 10⁹⁰ k_B / m³'ün biraz üzerinde bir entropi yoğunluğuna sahip olduğu anlamına gelir ki bu çok büyüktür. Karşılaştırma için, Samanyolu'nun merkez kara deliği kendi başına yaklaşık 10⁴⁰ m³'lük bir hacim kaplar, bu nedenle entropi yoğunluğu yalnızca 10⁵¹ k_B / m³'dür ve bu hala son derece büyüktür, ancak entropi yoğunluğundan çok çok daha küçüktür. Erken Evren.
Aslında bugün Evren'e bakarsak, genel entropi muazzam olsa da, hacmin çok büyük olması, entropi yoğunluğunu nispeten küçük bir sayıya götürür: yaklaşık ~ 10²⁷ k_B / m³ ila 10²⁸ k_B / m³.
Yine de, bugünkü entropi ile karşılaştırıldığında, sıcak Büyük Patlamanın en erken anlarında, erken Evren'deki entropi için yaklaşık 15-16 büyüklük mertebesinde bir fark var. Evrenin kozmik tarihi boyunca, genişleme entropi yoğunluğunu - veya birim hacim başına entropi miktarını - sulandırmış olsa da, toplam entropi dramatik bir şekilde arttı.
Bununla birlikte, bugün görebildiğimiz ve ölçebildiğimiz gözlemlenebilir Evren ile bizim için büyük ölçüde bilinmeyen gözlemlenemeyen Evren arasında bir fark var. Şu anda her yönden 46 milyar ışıkyılını görebiliyor olsak da ve zaman geçtikçe, genişleyen Evrenin daha da fazlası nihayetinde bize açığa çıkacak olsa da, Evren'in boyutuyla ilgili yalnızca daha düşük bir sınırımız var. gözlemleyebilir. Tüm bildiğimiz, uzay gerçekten bunun ötesinde sonsuz olabilir.
Ancak, Büyük Patlamanın, bildiğimiz kadarıyla Evrenimizin başlangıcı olmasına rağmen, mantıklı bir şekilde konuşabileceğimiz her şeyden ilk şey olmadığını hatırlamak önemlidir. Anlayabildiğimiz kadarıyla, Büyük Patlama tam bir başlangıç değildi, daha ziyade bir dizi koşulu tanımlıyor - sıcak, yoğun, neredeyse tamamen tekdüze, genişleyen, madde, antimadde ve radyasyonla dolu, vb. - biraz erken zaman. Bununla birlikte, Büyük Patlama'yı kurmak için elimizdeki en iyi kanıt, Büyük Patlama'dan önceki başka bir duruma işaret ediyor: kozmik enflasyon.
Enflasyona göre, Büyük Patlama'dan önce, Evren karanlık enerji benzeri bir enerji formuyla doluydu: parçacıklar, antiparçacıklar veya radyasyondan ziyade bir alana veya uzayın kendi dokusuna özgü enerji. Evren genişledikçe, bunu üssel bir şekilde yaptı: Madde ve radyasyonun düşen yoğunluğunun belirlediği sürekli azalan bir hızdan ziyade amansız bir şekilde. Bu süre boyunca, ne kadar uzun sürerse sürsün, her ~ 10 ^ -32 saniye geçtikten sonra, Planck uzunluğunun büyüklüğündeki bir bölge, fizik yasalarının bozulmadığı en küçük ölçek, geriliyor. bugünün görülebilen Evreninin boyutuna.
Enflasyon sırasında, Evrenimizin entropisi çok çok daha düşük olmalı : sıcak Büyük Patlamanın başlangıcı olarak gözlemlenebilir Evrenimizin boyutuna eşdeğer bir hacim için 10¹⁵ k_B civarında . (Kendiniz için hesaplayabilirsiniz .) Ama önemli olan şudur: Evrenin entropisi özellikle o kadar da değişmez; basitçe seyrelir. Entropi yoğunluğu dramatik bir şekilde değişir, ancak Evrende enflasyondan önce var olan entropi hala kalır (ve hatta artabilir), ancak gittikçe daha büyük hacimlere yayılır.
Bu, Evrenimizde ne olduğunu anlamak için çok önemlidir. Evrenimize başlamak veya enflasyon sürecini başlatmak için mucizevi derecede düşük entropi durumuna ihtiyacımız yok. Tek ihtiyacımız olan, Evrenin bir bölümünde enflasyonun yükselmesi ve bu alanın şişmeye başlamasıdır. Kısa bir sırayla - saniyenin çok küçük bir kısmından sonra - başlangıçta ne kadar entropi olursa olsun, bu entropi artık çok daha büyük bir hacme yayılıyor. Entropi her zaman artıyor olabilir, ancak bir gün tüm gözlemlenebilir Evrenimiz haline gelecek olan hacimdeki entropi yoğunluğu veya entropi miktarı bu son derece düşük değere düşer: Kelvin başına yaklaşık 10 nanojoule, bir futbol topu.
Enflasyon sona erdiğinde, bu alan enerjisi maddeye, antimadde ve radyasyona dönüşür: o sıcak, yoğun, neredeyse tekdüze ve genişleyen ama soğuyan Evren. Bu alan enerjisini parçacıklara dönüştürmek, gözlemlenebilir Evrenimizdeki entropinin dramatik bir şekilde yükselmesine neden olur: yaklaşık 73 mertebesinde. Önümüzdeki 13,8 milyar yıl boyunca, Evrenimiz genişledikçe, soğudukça, kaynaştıkça, yerçekimine girdikçe, atomlar ve yıldızlar ve galaksiler, kara delikler ve gezegenler ve insanlar oluşturdukça, entropimiz “sadece” 15 veya 16 büyüklük mertebesinde arttı.
Evrenin tüm tarihi boyunca meydana gelen ve olacak olan, şimdiye kadar meydana gelen en büyük entropi büyümesine kıyasla fıstıklardır: enflasyonun sonu ve sıcak Büyük Patlamanın başlangıcı. Yine de, endişe verici derecede düşük entropiye sahip bu enflasyonist durumda bile, Evrenin entropisinin azaldığını görmedik; Evrenin hacmi katlanarak artarken sadece entropi yoğunluğu azaldı. Uzak gelecekte, Evren şu anki yarıçapının yaklaşık 10 milyar katına genişlediğinde, entropi yoğunluğu bir kez daha enflasyonist çağdaki kadar küçük olacak.
Entropimiz artmaya devam edecek olsa da, entropi yoğunluğu hiçbir zaman 13,8 milyar yıl önceki sıcak Büyük Patlama'nın başlangıcındaki kadar büyük olmayacak.
Gmail dot com'da başlamak için Ethan'a sor sorularınızı gönderin !
Starts With A Bang , Beyond The Galaxy ve Treknology: The Science of Star Trek from Tricorders to Warp Drive kitaplarının yazarı Ethan Siegel , Ph.D. tarafından yazılmıştır .
Albert Einstein'ın ilk karısı olan Mileva Maric, kocasının fizik alanındaki çığır açan çalışmasına yaptığı potansiyel katkılarla ilgili olarak uzun süredir spekülasyon ve tartışma konusu olmuştur. Görelilik ve kütle-enerji denkliği teorileriyle evren anlayışımızı sonsuza dek değiştiren Einstein, geniş çapta 20. yüzyılın en etkili bilim adamlarından biri olarak kabul edilirken, Maric'in çalışmalarındaki rolü genellikle göz ardı edildi veya küçümsendi.
13,8 milyar yıl önce tüm evren, boyutları olmayacak kadar küçük bir spesifikasyona sıkıştırılmıştı; bu özellik, bing'e kadar orada hiçbir şey yapmadan, hiçbir şey olmadan oturdu! bu kısa gerçeklik, kendisini tekil bir yoğunlaştırılmış enerji biriminden ve yüz milyar ışıkyılı çapından daha büyük bir evrene, şimdiye kadar var olacak tüm maddenin %98'i ve bu varoluşu yönetmek için gereken temel güçlerle önceden yüklenmiş bir evrene göz kırptı.
Venüs'ün üzerindeki fosfin işaretleri, Venüs atmosferindeki yaşamın tespiti için umutları dolduran sülfür dioksit olabilirdi. Eylül 2020'de gökbilimciler Venüs'te olası fosfin tespitini duyurdular.
Bu, magnetarın keşfinden önce çekilen iki NASA görevi olan Spitzer Uzay Teleskobu ve Geniş Alan Kızılötesi Araştırma Gezgini'nden (WISE) kızılötesi geniş bir görüş alanıdır. Chandra'nın X ışınları magnetarı mor renkte gösterir.
Bir zamanlar bir süpernova vakası olduğu düşünülen şeyin daha da nadir bir göksel olay olduğu ortaya çıktı. Yakın zamanda yapılan bir araştırmada, gökbilimciler bunun, süper kütleli bir kara deliğin yörüngedeki bir yıldızın parçalarıyla ziyafet çekerken her 114 günde bir enerji saldığı bir galaksiden periyodik bir parlama olduğunu ortaya çıkardı.
Burada Dünya'da gök gürültülü fırtınalar ve beraberindeki yıldırım çarpmaları muazzam enerji salımlarını temsil ediyor. Her deşarjda ~ 10 coulomb'a kadar yük - 10²⁰'den fazla elektron - değiştirilebilir.