Pitanja, odgovori i razgovori

Energija i entropija svemira

Dani iz Pule pita:

Molim Vas da mi objasnite slijedeće:

Svemir je vjerojatno izoliran sustav.

1. Mogu razumjeti da nema smisla pitanje "što je bilo prije" jer prije ne postoji tj. u tom trenutku je nastalo prostor-vrijeme i izolirani sustav - svemir.
2. Što je s energijom - kako je ona "ušla" u izolirani sustav,
3. Entropija (nered) izoliranog sustava raste - to bi značilo da je u početku bila najveća (mislili ste najmanja? op. KK), kad je (bit ću vulgaran) sve bilo rastureno ?

KK:

Pitanja ukupne energije i entropije svemira su vrlo zanimljiva i nije lako dati pouzdane odgovore.

Kao prvo, da li je svemir izoliran sustav? Ako definirate svemir kao "sve što postoji", onda vjerojatno možete reći da je to po definiciji izolirani sustav, ali onda imate problema sa definicijom ukupne energije. Naime, energija gravitacije (a za svemir je gravitacija ključna komponenta) nije lagana za definirati, a da to zadovolji uobičajene predodžbe o energiji kao očuvanoj veličini. (Npr. još iz čuvenog Einsteinovog misaonog eksperimenta s liftom u slobodnom padu znamo da se gravitacija može "poništiti" gibanjem (promatrač u slobodno-padajućem liftu je u bestežinskom stanju)). Za prevladati te probleme i dobro definirati energiju zgodno je kad bi svemir bio geometrijski ravan. Mi znamo da je naš opazivi dio svemira otprilike ravan, ali danas kozmolozi sve više vjeruju u teoriju kozmičke inflacije po kojoj je naš vidljivi dio svemira samo mali komadić cijele slike, a kako izgleda cijela slike je slabo poznato.

Ukoliko se pak ograničimo samo na pitanja o našem vidljivom dijelu svemira (često se misli upravo na to kad se kaže "svemir"), onda pak nije sasvim jednostavno zaključiti da je isti izoliran, posebno u svjetlu nedavnog otkrića ubrzanog kozmičkog širenja po kojem vanjski dijelovi svemira, skupa sa svojom energijom, "cure" van iz vidljivog svemira.

Ukoliko odlučimo zanemariti sve ovo (što se može relativno smisleno učiniti uz neke razumne pretpostavke) onda se može doći do zaključka da bi ukupna energija svemira trebala biti nula! Račun tipično pokazuje da se energija materije i energije u svemiru taman poništava s negativnom energijom njihovog gravitacijskog privlačenja tako da je zbroj nula. Tako da Veliki prasak "ništa ne košta" u energijskom smislu.

Što se tiče entropije, ona, kako kaže drugi zakon termodinamike, raste za izolirani svemir i to znači da je u samom početku svemira bila najmanja. Ono što Vas vjerojatno interesira je zašto je entropija manja za "rastureni" rani svemir, a velika danas sa svim tim strukturama, galatikama itd. Tu opet prizivamo kompenzacijski učinak gravitacije. Gravitacijski sustavi su općenito termodinamički neobični. Npr. uobičajeno je da se sustav koji otpušta energiju time hladi. No, hladni plin koji gravitira i tako se skuplja (i pritom zrači termalnu energiju) postaje sve topliji! Ponaša se kao sustav s negativnim toplinskim kapacitetom.

Razmišljajući dalje na taj način zaključujemo da homogeni plin u termodinamičkoj ravnoteži nije, kako nas to uči elementarna termodinamika, u stanju najveće entropije jer ako uključimo gravitaciju u igru, taj plin će se početi sažimati i, ako je dovoljno masivan, na kraju završiti kao crna rupa. I zaista, crna rupa je objekt enormne entropije. Sve u svemu, današnji svemir, usprkos svojoj složenoj strukturi, ima veću entropiju neko rani svemir.

Krasna intuitivna ideja da je entropija=neuređenost prestaje biti točna uz prisustvo gravitacije.

Postoje neke analize koje tvrde da u današnjem svemiru najviše entropije otpada na supermasivne crne rupe u središtima galaktika.

Srodne teme:   —   Gravitacija   —   Rani svemir   —