Lassen Sie mich zunächst sagen, dass ich keinerlei wissenschaftlichen Hintergrund habe. Ich interessiere mich jedoch sehr für Wissenschaft und genieße derzeit Brian Greenes The Fabric of the Cosmos . Ich bin bei Kapitel 7 und bis jetzt verstehe ich die meisten allgemeinen Ideen, über die er gesprochen hat. Zumindest glaube ich, dass ich sie verstehe :-)
Es gibt jedoch einen Teil am Ende von Kapitel 6, den ich nicht verstehen kann.
Es geht um Entropie und den Zustand des Universums wenige Minuten nach dem Urknall.
Auf Seite 171 sagt er:
Unsere ausgefeiltesten Theorien über den Ursprung des Universums – unsere ausgefeiltesten kosmologischen Theorien – sagen uns, dass das Universum zu der Zeit, als es ein paar Minuten alt war, mit einem nahezu gleichförmigen heißen Gas gefüllt war, das zu etwa 75 Prozent aus Wasserstoff bestand, zu 23 Prozent Helium und geringe Mengen an Deuterium und Lithium. Der wesentliche Punkt ist, dass dieses Gas, das das Universum erfüllt, eine außerordentlich niedrige Entropie hatte.
Und auf Seite 173-174:
Wir sind jetzt an der Stelle angelangt, wo der Bock endlich aufhört. Die ultimative Quelle der Ordnung, der niedrigen Entropie, muss der Urknall selbst sein. In seinen frühesten Momenten war das entstehende Universum aus irgendeinem Grund nicht mit gigantischen Entropiebehältern wie schwarzen Löchern gefüllt, wie wir es aufgrund wahrscheinlichkeitstheoretischer Überlegungen erwarten würden, sondern mit einer heißen, gleichmäßigen, gasförmigen Mischung aus Wasserstoff und Helium. Obwohl diese Konfiguration eine hohe Entropie hat, wenn die Dichten so niedrig sind, dass wir die Schwerkraft ignorieren können, ist die Situation anders, wenn die Schwerkraft nicht ignoriert werden kann; dann hat ein solches einheitliches Gas eine extrem niedrige Entropie. Im Vergleich zu Schwarzen Löchern befand sich das diffuse, nahezu gleichförmige Gas in einem außerordentlich entropiearmen Zustand.
Im ersten Teil des Kapitels erklärt Brian Greene das Konzept der Entropie, indem er die 693 Seiten von Krieg und Frieden in die Luft wirft.
Zuerst werden die Seiten geordnet. Die spezifische Reihenfolge, in der sie sich befinden, ist sinnvoll und erforderlich, um die Seiten als ein lesbares Buch mit dem Titel Krieg und Frieden zu erkennen . Dies ist eine niedrige Entropie. Es ist sehr hoch geordnet und es gibt kein Chaos.
Wenn Sie nun die Seiten in die Luft werfen, sie fallen lassen und sie dann einzeln aufheben und übereinander legen, sind die Chancen, dass Sie genau dieselbe Reihenfolge wie im Ausgangszustand erhalten, äußerst gering. Die Chance, dass Sie eine weitere Bestellung (egal welche Bestellung, nur nicht die von Anfang an) erhalten, ist extrem groß. Wenn die Seiten in der falschen Reihenfolge sind, gibt es eine hohe Entropie und ein hohes Maß an Chaos. Die Seiten sind nicht geordnet, und wenn sie nicht geordnet sind, würden Sie den Unterschied zwischen einem ungeordneten Zustand und einem anderen nicht bemerken.
Sollten Sie jedoch in der bestellten Version mit niedriger Entropie zwei Seiten tauschen, würden Sie den Unterschied bemerken.
Unter niedriger Entropie verstehe ich also einen hochgeordneten Zustand mit geringem Chaos, bei dem eine Umordnung der Elemente auffallen würde.
Ich hoffe ich bin hier noch richtig :-)
Was ich jetzt nicht verstehe, ist, wie eine gleichmäßige Mischung aus Wasserstoff und Helium hoch geordnet sein kann? Ich würde sagen, Sie würden es nicht bemerken, wenn einige Partikel die Plätze tauschen würden. Ich würde sagen, dass sich eine einheitliche Mischung tatsächlich in einem Zustand hoher Entropie befindet, weil Sie es nicht bemerken würden, wenn Sie einige Wasserstoffatome austauschen würden.
Brian Greene erklärt, dass dies tatsächlich der Fall wäre, wenn die Schwerkraft keine wichtige Rolle spielt, aber dass sich die Dinge ändern, wenn die Schwerkraft eine Rolle spielt ; und im universum gleich nach dem urknall spielt die schwerkraft eine große rolle.
Liegt das daran, dass eine Neuordnung der Teilchen die Auswirkungen der Schwerkraft verändern würde? Oder gibt es noch etwas, das ich hier übersehe?
Ihre spezielle Frage bezieht sich darauf, warum einheitliches Gas ein Zustand mit niedriger Entropie für das Universum ist. Der Grund dafür ist, dass Sie Entropie erzeugen, indem Sie dem Gas erlauben, sich selbst zu gravitieren und zu komprimieren, wodurch Wärme an die Umgebung abgegeben wird. Das Endergebnis ist ein Schwarzes Loch, in dem das Gas maximal komprimiert wird, und dies sind die Gravitationszustände mit maximaler Entropie.
Aber das gleichmäßige Gas kommt von einem fast gleichmäßigen Aufblasfeld, das nach dem Aufblasen über den ganzen Raum zittert. Dieses Aufblähen erzeugt eine einheitliche Materiedichte, die dann zu einheitlichen Baryonen und Wasserstoff wird. Für die geringe Entropie der Anfangsbedingungen ist letztlich die Gleichmäßigkeit der Energiedichte im Inflationsfeld verantwortlich, die mit der Inflationsdynamik zusammenhängt.
Die Dynamik der Inflation erzeugt Anfangsbedingungen mit niedriger Entropie ohne Feinabstimmung. Dies scheint ein Paradoxon zu sein, denn niedrige Entropie ist per Definition eine Feinabstimmung. Müssen Sie nicht einen speziellen Zustand wählen, um eine niedrige Entropie zu haben? Die Antwort bei der Inflation ist, dass der Zustand nur insofern besonders ist, als es eine große positive kosmologische Konstante gibt, aber ansonsten generisch ist, da es sich bei der großen kosmologischen Konstante um einen Zustand maximaler Entropie handelt.
Die Inflationstheorie erklärt die Besonderheit der Anfangsbedingungen vollständig. Dies wurde 1983 von Davies vorgeschlagen, aber von Kosmologen abgelehnt. Der Rest dieser Antwort diskutiert Argumente, die die Position von Davies unterstützen.
Wenn Sie einen deSitter-Raum mit etwas hinzugefügter Massendichte betrachten und in einen kausalen Fleck schauen (was bedeutet, was ein Beobachter sehen kann), ergibt die Massendichte eine zusätzliche Krümmung ohne (signifikanten) Druck und verwandelt deSitter eher in eine Kugel. Es gibt eine kontinuierliche Deformation des deSitter-Raums in das statische Einstein-Universum, was erreicht wird, indem die Dichte der Materie so groß wie möglich gemacht wird.
Jede Materie, die Sie hinzufügen, verringert die Horizontfläche des kosmologischen Horizonts, und dies gilt auch für Schwarze Löcher. Wenn Sie beispielsweise die ds-Schwartschild-Exaktlösung betrachten, können Sie ein isoliertes Schwarzes Loch im deSitter-Raum haben:
aber es gibt zwei Horizonte, und der Kausalfleck ist die Region zwischen dem Schwarzen Loch und dem kosmologischen Horizont. Es ist leicht zu überprüfen, dass die gesamte Horizontfläche, kosmologische plus Schwarzes Loch, für m=0 maximal ist. Es ist auch leicht zu überprüfen, ob es einen bestimmten Wert von m gibt, wo der Radius des Schwarzen Lochs und der kosmologische Radius degenerieren. Bei dieser Degeneration bleibt der Abstand zwischen dem Schwarzen Loch und dem kosmologischen Horizont konstant, sie kollidieren nicht außer in der schlechten r-Koordinate, und der Raum verwandelt sich in AdS_2 x S_2.
Stellen Sie sich vor, Sie beginnen in der Nähe einer Nariai-Lösung mit zusätzlicher Materie zwischen den beiden Horizonten. Dies sind beide immer noch schwarze Löcher, kein kosmologischer Horizont, wie Sie sehen können, indem Sie mehr Materie mit einer gleichmäßigen Dichte hinzufügen, bis Sie sich der Grenze des statischen Einstein-Universums mit zwei antipodischen Schwarzen Löchern nähern.
Dies ist eine physikalische Konfiguration der statischen Kosmologie. Sie können also mit einem statischen Einstein-Universum beginnen und es zeitlich vorwärts entwickeln, Sie werden schwarze Löcher produzieren, und sie werden verschmelzen und wachsen.
Wenn Sie die gesamte Materie im statischen Universum nehmen und sie in eines der Schwarzen Löcher schieben, wird dieser Bereich des Schwarzen Lochs über die Nariai-Grenze hinaus anwachsen und zum kosmologischen Horizont werden. An diesem Punkt läuft die Singularität ins Unendliche. Wenn Sie die Materie in ein anderes Schwarzes Loch schieben, wird das andere Schwarze Loch der kosmologische Horizont sein. Es liegt an dir.
Wenn Sie also mit dem statischen Universum von Einstein beginnen, konkurrieren die Schwarzen Löcher um Materie, bis schließlich das größte Schwarze Loch alle anderen umgibt und zum kosmologischen Horizont wird.
Die Lektionen sind die folgenden:
Der zweite Punkt beantwortet Ihre Frage, denn das frühe Universum befindet sich in einer deSitter-Phase. Bei einem großen positiven Wert der kosmologischen Konstante im frühen Universum ist der maximale Entropiezustand also ein deSitter-Raum mit einem kosmologischen Horizont kleiner Fläche, und dies ist notwendigerweise eine Anfangsbedingung niedriger Entropie für spätere Zeiten, während derer der kosmologische Horizont wächst .
Für die Anfangsbedingungen niedriger Entropie bedarf es keiner weiteren Erklärung. Das ist die gleiche Erklärung wie für alle anderen Wunder der Inflation, das Töten von Schwankungen, die Flachheitsbedingung, das Monopolproblem. Der springende Punkt der Inflation ist es, eine Theorie von Anfangsbedingungen mit niedriger Entropie, einschließlich der Schwerkraft, zu erzeugen, und das geschieht natürlich, weil der deSitter-Raum der einzige Gravitationszustand mit niedriger Entropie und maximaler Entropie ist. Diese Antwort wurde zuerst von Davies gegeben, und sie ist einfach richtig.
Diese klare Idee wird trotz der fast dreißig Jahre seit Davies' Artikel nicht akzeptiert. Ich sollte hinzufügen, dass Tom Banks und Leonard Susskind jetzt beide ähnliche Dinge sagen, obwohl ich ihnen keine Worte in den Mund legen möchte.
Zu sagen, dass das Universum kurz nach dem Urknall eine sehr niedrige Entropie hatte, ist ein bisschen irreführend, ohne zu sagen, womit Sie es vergleichen.
Wir wissen (nun, wir sind uns ziemlich sicher), dass Schwarze Löcher eine Entropie haben, und dass diese Entropie enorm ist. Sehen Sie sich http://en.wikipedia.org/wiki/Black_hole_thermodynamics an, um zu erfahren , wie man die Entropie eines Schwarzen Lochs berechnet. Wenn Sie eine Region eines einheitlichen heißen Gases nehmen und es zu einem Schwarzen Loch komprimieren, steigt die Entropie enorm an, sodass die Entropie des Universums kurz nach dem Urknall als heißes Gas viel viel niedriger war als als eine Ansammlung von Schwarz Löcher. Das ist nicht dasselbe wie zu sagen, dass die Entropie absolut niedrig war.
Es ist sicherlich wahr, dass die Entropie beispielsweise einer bestimmten (kleinen) Eismasse viel niedriger ist als die Entropie derselben Dampfmasse. Sie würden dies also erwarten, wenn Sie eine gewisse Masse des frühen Universums nehmen und dies zulassen zu zB einem Planeten kondensieren, dann sollte die Entropie sinken. Brian Greenes Argument ist, dass dies nur wahr ist, wenn Sie die Tatsache ignorieren, dass Sie durch die Konzentration der Masse auf einen kleinen Bereich das Gravitationspotential in diesem Bereich erhöhen. Das erhöhte Gravitationspotential liefert einen weiteren Beitrag zur Entropie, den Sie bei der Berechnung der Gesamtentropie berücksichtigen müssen.
Es ist völlig vernünftig zu fragen, was der physikalische Mechanismus für den Beitrag der Schwerkraft zur Energie ist, aber niemand weiß es. Sowohl in der Stringtheorie als auch in der Schleifenquantengravitation können Sie Modelle für die Entropie eines Schwarzen Lochs konstruieren und die richtige Antwort finden, aber natürlich sind die physikalischen Ursprünge der Entropie in diesen beiden Fällen unterschiedlich, also was glauben Sie (wenn entweder)?
Hier ist die einfachste Erklärung, die ich gefunden habe: „Entgegen der landläufigen Meinung ist gleichmäßig verteilte Materie in Gegenwart von Gravitation instabil und ist eigentlich der unwahrscheinlichste Zustand mit sehr niedriger Entropie. Die wahrscheinlichsten Zustände mit hoher Entropie sind diejenigen, in denen Materie in einen Topf geworfen wird in massiven Objekten, was in der Entstehung von Schwarzen Löchern gipfelt." ( https://www.physicsforums.com/threads/why-did-entropy-decrease-after-the-big-bang.573619/ )
Kurz gesagt, es ist äußerst unwahrscheinlich, dass Materie/Energie in einem Universum mit Schwerkraft gleichmäßig verteilt ist. Es wäre, als würde man versuchen, die Spitze eines gespitzten Bleistifts auf der Klinge eines geschärften Messers zu balancieren. Es wird auf die eine oder andere Weise fallen, und es wird nie wieder in diesen Zustand zurückkehren. Die gleichmäßig verteilte Materie im Universum wird in die eine oder andere Richtung in Energieklumpen (Masse) "fallen", und sie kann niemals zurückgehen (zumindest ist es äußerst unwahrscheinlich).
Daher ist die gleichmäßig verteilte Materie in einem Universum mit Schwerkraft extrem entropiearm. Es ist viel wahrscheinlicher, dass die Materie zufällig zusammengeballt wird, als dass alle Materie perfekt gleichmäßig verteilt ist.
Wenn das Universum jemals gleichmäßig verteilt wurde, dann hat sich die Entropie umgekehrt und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik ist falsch. Aber es ist wahrscheinlicher, dass alles im Universum irgendwann in einen Haufen schwarzer Löcher fallen wird.
Entropie ist in den meisten Diskussionen schlecht definiert. Entropie ist nicht die Zunahme von "Unordnung", noch ist es einfach die Ausbreitung von Energie. Entropie lässt sich am besten als die Tendenz zum wahrscheinlichsten Zustand (oder Gleichgewichts-/Ruhezustand) von Energie/Materie unter Berücksichtigung bestimmter physikalischer Gesetze beschreiben.
TLDR – Die Schwerkraft klumpt Dinge zusammen und lässt sie nicht gleichmäßig verteilen. Mit der Schwerkraft ist eine gleichmäßige Verteilung schwierig / selten und daher entropiearm, und eine Verklumpung ist einfach / üblich und daher entropiereich. Die Energie des Universums war nach dem Urknall gleichmäßig verteilt und hatte daher mit der Schwerkraft eine geringe Entropie.
Die obigen Antworten sind sehr interessant und informativ, aber vielleicht nicht alle ideal für jemanden geeignet, der nach eigenen Angaben keinen wissenschaftlichen Hintergrund hat.
Kristof, Sie können sich Entropie als ein Maß für die "Typizität" der Anordnung eines Systems vorstellen, sei es ein Kartenspiel oder eine Flasche (oder ein Universum) voller Gasmoleküle. Es gibt eine relativ kleine Anzahl von "speziellen" Anordnungen, wie z. B. Karten in aufsteigender Reihenfolge, und viele um Größenordnungen typischere oder zufällige Anordnungen.
Ohne Schwerkraft ist die typische Anordnung von Gas nach dem Urknall eine ziemlich gleichmäßige Verteilung, wie es in einer Flasche im thermischen Gleichgewicht der Fall wäre. Aber führen Sie die Schwerkraft ein und der Spieß dreht sich um - Was eine hohe Entropie oder eine typische Verteilung war, wird plötzlich alles andere als! Der Grund ist natürlich, dass die typische Verteilung mit der Schwerkraft klumpiger ist und im Gleichgewichtszustand nur aus schwarzen Löchern besteht.
Ich denke, die folgende Definition von Entropie könnte im Abschnitt über statistische Thermodynamik aufschlussreich sein:
, die Entropie, ist proportional zum natürlichen Logarithmus der Anzahl der Mikrozustände, .
Man könnte es sich so vorstellen: Beim Urknall gibt es nur einen Mikrozustand, da alles ein Punkt in Raum und Zeit ist. Irgendwann nach dem Knall erscheinen Mikrozustände. In dem Modell, das Sie diskutieren, sind dies die Anzahl der Zustände, die die Wasserstoff- und Heliumatome haben können. Die Komplexität dieser Zustände und damit die Anzahl möglicher Mikrozustände ist viel geringer, als wenn beispielsweise das volle Kernspektrum oder die gegenwärtige Ausdehnung in der Raumzeit zur Verfügung stünde. Je größer der Phasenraum ist, desto mehr Mikrozustände können gezählt werden .
Nun der von Ihnen zitierte Kommentar:
Obwohl diese Konfiguration eine hohe Entropie hat, wenn die Dichten so niedrig sind, dass wir die Schwerkraft ignorieren können, ist die Situation anders, wenn die Schwerkraft nicht ignoriert werden kann; dann hat ein solches einheitliches Gas eine extrem niedrige Entropie. Im Vergleich zu Schwarzen Löchern befand sich das diffuse, nahezu gleichförmige Gas in einem außerordentlich entropiearmen Zustand.
ist für mich kryptisch. In Bezug auf Schwarze Löcher hat ein einheitliches Gas sicherlich eine geringere Entropie, und sicherlich wird die Existenz eines starken Gravitationsfelds ein diffuses Gas einschränken und schichten, und die Schichtung verringert die Anzahl der verfügbaren Mikrozustände, daher würde ich dies von diesem Zitat fernhalten.
Wenn Sie bedenken, dass Ordnung weniger verfügbare Mikrozustände aufgrund der Einschränkungen bedeutet, die die Reihenfolge einführt, und mehr verfügbare Mikrozustände durcheinander bringt, weil Einschränkungen gelockert werden, können Sie nichts falsch machen.
Das Kriegs- und Friedensbuch war natürlich eine sehr grobe und sehr grobe Analogie. Sie können daraus kein sinnvolles Verständnis ableiten.
Damit die Entropie wirklich niedrig und gleichzeitig ungleich Null ist, müssen Sie eine sehr starke Musteranordnung der Dinge hinzufügen. Vielleicht befand sich das Gas in einer Schockwelle, von der wir wissen, dass die Dekompression eine extreme Schockwelle in einer sehr genau definierten Form ausgelöst haben muss, überhaupt nicht zufällig. Wenn das Kriegs- und Friedensbuch in der Buchanalogie in alphabetischer Reihenfolge abcdefghijklmnopurstuvwxyz durch das Buch geschrieben wurde und die Seiten das Muster in einem periodischen Muster schneiden, sagen wir, jede Seite hat 261 Buchstaben , also wird das z alle 26 Seiten am Seitenrand ausgerichtet . Das sieht ungefähr aus wie eine Schockwelle. Wenn Sie jetzt Seiten tauschen, bemerken Sie den Unterschied, ohne Englisch zu lernen. Wenn Sie nun Partikel in den Stoßwellen austauschen, bemerken Sie den Unterschied.
Krieg und Frieden ist ein extremes Beispiel für Muster, nur die Vorstellung des Autors macht das Schreiben aus, und Sie müssen die Mentalität haben, um zu wissen, ob 2 Absätze vertauscht sind. Die Konzeption ist ein sehr konsistentes und starkes Muster, das sich durch das gesamte Buch zieht. Beginnen wir nicht mit Krieg und Frieden, weil es Muster mit Informationen verwechselt. Damit das Gas ein sehr starkes natürliches Muster hat, muss dem Gas eine gewisse physikalische Vorstellung auferlegt werden. Ich kann an Kugelstoßwellen denken, aber die Stoßwellen mussten aus allen Richtungen gleichmäßig in alle Richtungen gleichmäßig kommen, aber die extreme Physik des Urknalls erfordert ein noch stärkeres Muster als Kugelstoßwellen. Es wird einfach alles in allem nicht durch Newtonsche Mathematik oder irgendeine Mathematik beschrieben, und daher die endlosen Forschungsanstrengungen, um die physikalischen Prozesse in der Nähe des Urknalls zu untersuchen.
Beim nahen Urknall war es nicht nur ein Tank mit heißem Gas, es war die riesige Gasmasse, die alle zusammen einer "Dekompression" unterzogen wurde, völlig synchron, fast jedes Teilchen befand sich in der gleichen Phase der Umwandlung von einem ursprünglichen Ding in Wasserstoff. Und das geschah augenblicklich durch die Billionen Billionen Billionen Meilen des Weltraums. Das war das komplette Gegenteil des Bildes eines Tanks mit heißem Gas. Es war ein starkes schönes Muster, das gehalten werden sollte. Krieg und Frieden ist eine extreme Schönheit, aber nicht so extrem wie der Urknall, der keine Konkurrenz hat.
Ich glaube nicht, dass er Recht hat, dass die Entropie in diesem Fall niedrig ist. Wenn die Schwerkraft ungleichmäßig verteilt wäre, könnte das anders sein, aber mit der gleichmäßigen Gasverteilung muss die Schwerkraft auch gleichmäßig gewesen sein.
Ich bin mir nicht einmal sicher, ob wir in heutigen Begriffen über diese seltsame Welt, die wir zu Beginn der Zeit hatten, sprechen könnten. Schließlich ist "Ordnung" ein menschliches Konzept (Krieg und Frieden ist nur für Menschen lesbar, "objektiv" sind die "geordneten" Seiten genauso gut wie "ungeordnete").
Benutzer566
QMechaniker
Benutzer46925
Benutzer46925