Warum wird gesagt, dass das Universum ein isoliertes System ist?

Für ich)

Ein System ist isoliert, wenn kein Energieaustausch mit der Umgebung stattfindet. Beispielsweise wird der Inhalt einer Vakuumflasche isoliert. In der Praxis gibt es einen Fehler im Isolationsparameter, dh Delta (Energie), weshalb nach einiger Zeit festgestellt wird, dass der Inhalt Raumtemperatur hat. Experimente sind so konzipiert, dass sie innerhalb der Fehler arbeiten.

Das Universum ist per Definition des Wortes isoliert, weil es per Definition alles enthält und es daher keinen Energieaustausch mit irgendetwas geben kann. Wenn es eine geben könnte, würde sie innerhalb des Universums gezählt werden.

Jetzt können Modelle gefunden werden, bei denen "Universum" mit einigen Fehlern in diesem Energieaustausch definiert ist. So spekulierten sogar viele Einzelgänger, aber es gäbe keine Möglichkeit, dies zu wissen, da keine Energie ausgetauscht würde.

Für II)

Es hat mit der Definition von Entropie zu tun .

$P_i$die Wahrscheinlichkeit ist, dass sich das System im i-ten Mikrozustand befindet, und$k_B$ist die Boltzmann-Konstante.

Die Anzahl der Mikrozustände nimmt mit der Zeit zu, wenn Energieaustausch stattfindet.

Für das isolierte Universum nehmen die Mikrozustände mit der Zeit zu, weil wir experimentelle Beweise dafür haben , dass sich das Universum ausdehnt. Je größer das Volumen wird, desto größer wird die Anzahl möglicher Mikrozustände

I) Wenn es Grenzen gibt, wie können wir wissen, was dort mit der Entropie passiert?

Die bevorzugte Art, heute über das Universum nachzudenken, ist, dass es keine Grenzen hat. Aber es gibt keine Möglichkeit, sicher zu sein, es sei denn, wir finden eine solche Grenze. Wenn unser Universum in einer vollkommen starren Hülle eingeschlossen wäre, die für alles, einschließlich der Schwerkraft, undurchdringlich wäre (unendliche potenzielle Wand), wäre es ein isoliertes System. Dies scheint jedoch nicht wahrscheinlich.

und wenn es keine Grenzen gibt, was bedeutet es, isoliert zu sein?

Ich denke, der beste Weg, diese Bedeutung zu geben, ist, dass das Universum ein System ist, das nicht mit irgendwelchen Körpern außerhalb von ihm interagiert. Per Definition gibt es für das Universum keine äußeren Körper, also ist es in diesem Sinne isoliert.

Entgegen der landläufigen Meinung bedeutet dies nicht unbedingt, dass die Energie des Universums konstant ist. Wenn das Universum unendliche Dimensionen hat, kann Energie ins Unendliche entweichen oder aus dem Unendlichen kommen. Mathematisch würde dies folgendermaßen ausgedrückt: das Integral der Energiestromdichte$\mathbf R$über einer einfachen geschlossenen Fläche

konvergiert nicht gegen 0, wenn die Oberfläche ins Unendliche erweitert wird.

II) Warum konnte [Entropie] nicht konstant bleiben?

Entropie ist ein Wort, das viel zu oft missbraucht wird. Es ist nicht klar, welche Entropie Sie meinen. Die thermodynamische Entropie (auch als Clausius-Entropie bekannt) ist ein Konzept, das auf thermodynamische Systeme im Zustand des thermodynamischen Gleichgewichts anwendbar ist. Es gilt nicht für das Universum, da es keine Temperatur, kein Wärmekonzept und keine Möglichkeit gibt, den Gleichgewichtszustand des Universums herzustellen.

Das Wort "Entropie" hat andere Bedeutungen und für diese kann es eine andere Antwort geben. Aber Sie müssen klarstellen, welche Entropie gemeint ist.

Du stellst eine sehr gute Frage. Wie Sie vorschlagen, kann die Entropie eines isolierten Systems tatsächlich konstant bleiben oder abnehmen: Sie hängt von der Art seiner Grenze ab.

Richtig ist , dass für jedes Subsystem, das wir untersucht haben, mit jeder Grenze, die wir beobachtet haben oder uns (realistisch) vorstellen können, die Entropie der Umgebung + des Subsystems immer zunehmen muss.

Ein Beispiel ist die Erde, die im Wesentlichen ein geschlossenes System ist, da die Energie, die sie aus dem Weltraum empfängt, praktisch gleich der Energie ist, die sie in den Weltraum zurückstrahlt. Es empfängt jedoch Energie mit geringer Entropie (in Form von Sonnenlicht) und strahlt Energie mit hoher Entropie aus. Im Laufe der Zeit nimmt die Entropie der Erde als Subsystem nicht ab, und es ist dieser zufällige Umstand, der es ermöglicht, das Leben auf der Erde für sehr lange Zeiträume aufrechtzuerhalten – so lange, wie die Sonne scheint! Die Entropie von Umgebung + Erde nimmt jedoch mit der Zeit zu.

Was ist mit dem Universum selbst? Die einzige Grenze des Universums, derer wir uns derzeit bewusst sind, ist das einzelne Ereignis, das wir den Urknall nennen. Der Urknall erschuf ein Universum in einem Zustand phänomenal niedriger Entropie und läuft seither nach allem, was wir feststellen können, „herunter“. Aufgrund dieser phänomenal niedrigen Entropie, mit der das Universum ins Leben gerufen wurde, konnten sich stabile Subsysteme wie Planeten bilden, auf denen sich sehr komplexe Strukturen mit niedriger Entropie – Leben – bilden und erhalten können.

Das ist eine sehr merkwürdige Tatsache, dass die Randbedingungen des Universums derart sind, dass ein Universum mit solch einer phänomenal niedrigen Entropie entstanden ist. Was ist mit der Zukunft? Wird sich diese Art von Randbedingung nach einer Ewigkeit wiederholen? Gibt es andere, subtilere und bisher nicht beobachtete Randbedingungen, die es dem Universum ermöglichen, sich im thermodynamischen Sinne über sehr lange Zeiträume selbst zu erhalten? Dies ist derzeit natürlich nicht bekannt.