Warum bedarf die geringe Entropie beim Urknall einer Erklärung? (kosmologischer Zeitpfeil)

Ich habe das Buch von Sean Carrol gelesen. Ich habe Roger Penrose zugehört, als er über „Before the Big Bang“ sprach. Beide bieten an, das Geheimnis des hochgeordneten Zustands mit niedriger Entropie beim Urknall zu erklären.

Da der zweite Hauptsatz der Thermodynamik als grundlegendes Naturgesetz gilt und besagt, dass in einem geschlossenen System die Entropie entweder gleich bleiben oder zunehmen muss, muss die Entropie zum Zeitpunkt des Urknalls viel geringer gewesen sein als heute .

Auch der thermodynamische Pfeil wurde von Boltzmann 1896 verkörpert S = k ln ⁡ W die auf seinem Grabstein eingraviert war. W ist die Anzahl der verschiedenen Mikrozustände des Systems. Es scheint mir trivialerweise, dass diese Zahl in der Vergangenheit kleiner sein wird als in der Zukunft, da die Entropie dem 2. Hauptsatz gehorcht. Dies bestimmt den thermodynamischen Zeitpfeil.

Warum brauchen wir mehr Erläuterungen zu einem „Grundgesetz“?

Ich sehe, dass Lubos diesen großartigen Link zu einer anderen Frage gepostet hat: "Ist es physikalisch sinnvoll, in anderen Universen über den Zeitpfeil zu sprechen?" --: "Robert Wald arxiv.org/abs/gr-qc/0507094, der das argumentiert hat Der thermodynamische Zeitpfeil – oder niedriger Eintritt in das frühe Universum – kann keinen dynamischen Ursprung haben. – Luboš Motl 21. Januar um 18:34 Uhr „Vielen Dank, Lubos. Ich werde nicht mit Robert Wald streiten.
Danke, Gordon, für deine guten Beiträge. Nur ein Link, damit die Leute einfach klicken können: arxiv.org/abs/gr-qc/0507094
Alle diese Argumente beruhen auf der Annahme, dass das Universum ein geschlossenes System ist. Wenn Sie diese Annahme aufgeben, ändert sich das ganze Ballspiel. Man muss also ernsthaft überlegen, ob diese Annahme überhaupt gerechtfertigt ist. Schließlich gibt es in der Welt, die wir beobachten, keine geschlossenen Systeme. Nicht einmal schwarze Löcher. Warum sollte das Universum anders sein?

Antworten (3)

Dies ist ein etwas umstrittenes Thema. Aber lassen Sie mich, soweit ich das verstanden habe, die Gründe darlegen, warum Leute wie Sir Penrose so denken.
Ihre Argumente lauten ungefähr so:

  1. Die grundlegenden mikroskopischen Gesetze der Physik sind perfekt zeitsymmetrisch. Sie sind in keiner Zeitrichtung Vergangenheit oder Zukunft voreingenommen.

  2. Der zweite Hauptsatz folgt aus der Tatsache, dass ein gegebener Anfangszustand eines Systems, der sich nicht im wahrscheinlichsten Zustand befindet, nach denselben mikroskopischen Gesetzen dazu neigt, sich dem wahrscheinlichsten Zustand zuzuwenden. Da die Anzahl der ungeordneten Zustände viel höher ist, wird das System mit der Zeit immer ungeordneter. Dementsprechend wird seine Entropie bis zu einem Maximalwert ansteigen, wenn das System in das thermische Gleichgewicht kommt.

  3. Da die mikroskopischen Gesetze zeitsymmetrisch sind, kann das gleiche Argument auch in Richtung der vergangenen Zeitrichtung gemacht werden. Ausgehend von einem Anfangszustand eines Systems, das sich nicht im wahrscheinlichsten Zustand befindet, sollte es auch zu ungeordneteren (hohen Entropie-) Zuständen in Richtung Vergangenheit gehen. Das sagt uns die Mathematik der Gesetze.

  4. Dies widerspricht unserer Erfahrung. Entweder haben alle Teile des Universums, die wir beobachten (einschließlich unserer Erinnerungen an die Vergangenheit), gerade jetzt eine RIESIGE Schwankung erfahren , um den Eindruck zu erwecken, dass es eine geordnetere Vergangenheit gab (was verrückt ist) ODER das System war bereits noch geordneter ( niedriger Entropie) und spezieller in der Vergangenheit. Aber das bedeutet eine noch größere Fluktuation. Diese Argumentation führt uns zu dem Schluss, dass das Universum im Moment des Urknalls außerordentlich geordnet und höchst speziell war. Es sollte so besonders sein, dass es einer Erklärung bedarf.

Kritiker weisen oft darauf hin, dass Vorhersage und Retrodiktion nicht dasselbe sind, und vergessen, dass, wenn man über den "Zeitpfeil" spricht, niemand mit Recht sagen kann, was Vorhersage und was Retrodiktion ist. Abgesehen davon ist es auch fraglich, ob der zweite Hauptsatz auf diese Weise auf das gesamte Universum angewendet werden kann oder nicht.

Siehe den Link zum Artikel von Robert Wald: arxiv.org/find/all/1/…
OT: (Ich bin 2006 mit meinem Sohn zu einigen Waldfesten gegangen ... es hat Spaß gemacht.)
Ich habe gerade die Zeitung gelesen und stimme ihr zu. Ich stimme zu, dass die Besonderheit des Urknalls erforderlich ist und man sich nicht auf dynamische Theorien wie die chaotische Inflation berufen kann, um die Besonderheit zu erklären, die davon ausgeht, dass das Universum mit einem zufälligen Anfangszustand begann.
@sbi Ja, Wald argumentiert das, aber der Punkt, an dem ich den Link gepostet habe, ist, dass er auch nicht der Meinung ist, dass eine kosmologische Erklärung bekannt oder vielleicht erforderlich ist. Er sagt, dass kosmologische Argumente kreisförmig werden und verwendet Inflation und anthropische Beispiele. Letztendlich sagt er, dass das Universum in einem besonderen Zustand, einer Periode, entstanden ist. Er hat einen Nachtrag, der besagt, dass er mit Carrol und Chen nicht einverstanden ist. Meiner Ansicht nach beantwortet Wald die obige Frage, die ich gestellt habe, mit "Nein". Er stimmt Ihnen jedoch in Bezug auf die Inflation zu.
Nun, ich werde es bei Walds Papier belassen und wir werden anderer Meinung sein.

Das Schlüsselproblem ist: Um die Entstehung von Galaxien und Sternen zu ermöglichen, musste das Universum in einem extrem (aber nicht perfekt) homogenen Zustand beginnen. Die Tatsache, dass die anfänglichen Inhomogenitäten die Größe von 1 Teil in einer Gadzillion (im Gegensatz zu Null) hatten, ist rätselhaft.

Nicht wirklich. Quantenvakuumfluktuationen wurden durch das Inflationsfeld aufgeblasen.
Ich bin mir nicht sicher, was Sie kommentieren. Bestreiten Sie, dass das anfängliche Universum eine sehr kleine, aber von Null verschiedene Inhomogenität gehabt haben muss?
Nein, das bestreite ich nicht. Das sage ich. Die Inhomogenitäten waren auf Quantenfluktuationen von "1 Teil in einer Gazillion" (im Gegensatz zu Null) zurückzuführen. Null wäre rätselhaft. Nichts ist instabil. Die unendlich kleinen Schwankungen wurden durch die Inflation ausgedehnt – voila, Galaxienbildung.
Inflation erhöht die Entropie. Also muss die Anfangsentropie noch kleiner sein.
Ja. Ich stimme zu. So?. Wie oben, siehe arxiv.org/find/all/1/…
@Gordon, Wald hat in der Zeitung genau das Gegenteil behauptet! Inflation kann den Zeitpfeil nicht erklären. Keine Theorie, die von anfänglicher Zufälligkeit ausgeht, kann das. Das war sein Punkt.
@sbi Ja, Wald argumentiert das, aber der Punkt, an dem ich den Link gepostet habe, ist, dass er auch nicht der Meinung ist, dass eine kosmologische Erklärung bekannt oder vielleicht erforderlich ist. Er sagt, dass kosmologische Argumente kreisförmig werden und verwendet Inflation und anthropische Beispiele. Letztendlich sagt er, dass das Universum in einem besonderen Zustand, einer Periode, entstanden ist. Er hat einen Nachtrag, der besagt, dass er mit Carrol und Chen nicht einverstanden ist.
@Gordon: Wald liegt falsch. Die Inflation im physikalisch richtigen kausalen Patch-Bild erzeugt niedrige Entropie-Anfangsbedingungen, wie von Davies erklärt.
Das beantwortet die Frage nicht und ergibt keinen Sinn. Ein Urknall mit maximaler Entropie wäre einer gewesen, bei dem die Gravitationswellen-Freiheitsgrade im Gleichgewicht mit den anderen Freiheitsgraden gewesen wären.

Denn dies verstößt gegen die Annahme, dass jeder Zustand gleich wahrscheinlich sein sollte.

Die geringe Entropie des Urknalls führt zum zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, nicht umgekehrt.

Wie Boltzmann gezeigt hatte, wird die Entropie für fast alle Zustände, die zu einem bestimmten Zeitpunkt auf eine bestimmte makroskopische Beschreibung beschränkt sind, sowohl in die Vergangenheit als auch in die Zukunft zunehmen. Damit die Entropie seit Milliarden von Jahren kontinuierlich abnimmt, während wir uns in die Vergangenheit bewegen, ist eine unglaubliche Feinabstimmung der Korrelationen zwischen fast allen Teilchen in der Gegenwart erforderlich.

Ich kann immer noch nicht folgen (stimme zu). Ich stimme zu, dass die Anfangsbedingungen zum 2. Gesetz führen, aber es ist eine Art Tautologie.
Was zum 2. Hauptsatz und dem Pfeil führt, ist die Entropiedifferenz zwischen damals und heute. Ich sehe nicht, wie unglaubliche Feinabstimmung erforderlich ist. Wenn (sagen wir) das Universum als Blase begann (etwa Lindes ewiges Inflationsmodell), muss es in einem hochgradig geordneten Zustand beginnen, und die Inflation kann die Feinabstimmung erklären. Oder nicht?
Das heißt, "die Korrelation zwischen fast allen Teilchen in der Gegenwart" könnte durch ewige Inflation erklärt werden?
(Die -1 war nicht ich :))
Ich denke, es würde viel Feinabstimmung erfordern, mit der ewigen Inflation zu beginnen, aber sobald wir die ewige Inflation haben, wird sie auf unbestimmte Zeit andauern.
Warum bedarf die geringe Entropie beim Urknall einer Erklärung? (kosmologischer Zeitpfeil)
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