Entropie

Was es für Eiswürfel, Zeit und das Universum bedeutet

Eines meiner Lieblingsfächer während meines Physikstudiums war das Konzept der Entropie und wie es sich auf so ziemlich alles bezieht, von Eiswürfeln bis zum gesamten Universum. Aber fangen wir am Anfang an:

Was ist Entropie?

Entropie kann als Zufallsmenge oder gleichwertig als Fehlen von Informationen betrachtet werden. Physikalisch ist Entropie eine Größe, die proportional zur Anzahl der "mikroskopischen Konfigurationen" ist, die mit dem beobachteten "makroskopischen Zustand" übereinstimmen. Im Klartext bedeutet dies, dass die Entropie die Anzahl der Kombinationen misst, in denen Sie die Atome und Moleküle eines „Dings“ neu anordnen können, um die gleiche Struktur dieses Dings zu beobachten.

Eine Sandburg ist ein System mit niedriger Entropie. Hier ist eine, die gerade die Entropie erhöht. (Quelle)

Hier ein Beispiel: Betrachten Sie einen Eiswürfel in einem Glas Wasser. Der Eiswürfel schmilzt, bis nur noch Wasser im Glas übrig ist. Das gesamte physikalische „System“ (bestehend aus Wasser und Eis) hat eine endliche Anzahl von Molekülen. Es gibt eine bestimmte Anzahl von Kombinationen der Moleküle, die der anfänglichen Systemkonfiguration entsprechen (Wasser plus Eis). Es gibt jedoch eine viel größere Anzahl von Kombinationen der Moleküle, die der endgültigen Systemkonfiguration entsprechen (alles Wasser). Dies entspricht der Aussage, dass der Endzustand eine höhere Entropie als der Ausgangszustand aufweist.

Eine andere Möglichkeit, über Entropie nachzudenken, ist die Wahrscheinlichkeit oder Wahrscheinlichkeit. Lassen Sie das Glas Wasser mit dem Eiswürfel in einem Raum und überprüfen Sie es dann zu einem zufällig ausgewählten Zeitpunkt zwischen beispielsweise und beispielsweise in einem Jahr. Die Wahrscheinlichkeit, dass Sie das Glas Wasser finden, in dem das Eis zu diesem zufälligen Zeitpunkt nicht geschmolzen ist, ist äußerst gering. Dies ist eine Möglichkeit, über Entropie nachzudenken: Der Zustand mit Wasser plus Eis ist der Zustand mit der niedrigsten Entropie, da dies eine so unwahrscheinliche Konfiguration in der gesamten Zeitachse ist.

Eine der grundlegenden Erkenntnisse aus der Physik ist, dass das, was mit dem Eiswürfel / Wasser-System passiert, tatsächlich mit jedem physikalischen System passiert - die Entropie wird immer zunehmen. Dies ist als zweiter Hauptsatz der Thermodynamik bekannt.

Entropie und Zeit

Entropie ist eine so wichtige Größe, weil sie einen Zeitpfeil definiert. Stellen Sie sich zwei Videos vor, eines, in dem ein Eiswürfel langsam in einem Glas Wasser schmilzt, und eines, in dem das Gegenteil passiert: Ein Eiswürfel materialisiert sich langsam in einem Glas Wasser. Wir wissen, weil wir in einem Universum leben, in dem der zweite Hauptsatz der Thermodynamik gilt, dass nur das erste Video der realen Welt entspricht. Mit anderen Worten, Entropie gibt uns die Möglichkeit, die Vergangenheit von der Zukunft zu unterscheiden.

Vergleichen Sie diese Eigenschaft der Zeit mit unseren drei räumlichen Dimensionen: Unseren räumlichen Dimensionen ist kein Pfeil zugeordnet. Sie können in eine Richtung gehen und zurückgehen. Andererseits ist es schwierig, sich ein Universum vorzustellen, in dem die Zeit in beide Richtungen geht: Vergangenheit und Gegenwart, Geburt und Tod wären austauschbar. In einem solchen Universum konnten wir nicht zwischen einem Video eines vorwärts und rückwärts abgespielten schmelzenden Eiswürfels unterscheiden, und es würde keinen zweiten Hauptsatz der Thermodynamik geben.

Entropie und das Universum

Hier ist eine kurze Einführung in die Geschichte des Universums. Kurz nach dem Urknall (vor etwa 14 Milliarden Jahren) befand sich das Universum in einer Konfiguration, die überall fast genau gleich aussah, eine Konfiguration, die wir als homogen bezeichnen. "Fast" bedeutet in diesem Fall, dass es winzige Schwankungen in der Verteilung der Materie gab, die letztendlich dazu führten, dass die Materie (aufgrund der Schwerkraft) zusammenklumpte und die Struktur bildete, die wir heute sehen, von Planeten über Sterne bis hin zu Galaxien. Wir nennen dieses Baby-Universum auch das Uruniversum. Das heutige Universum hingegen ist sehr inhomogen: Auf der Erdoberfläche zu sein, ist eine völlig andere Erfahrung als im Weltraum, auf der Sonnenoberfläche oder in der Nähe eines Schwarzen Lochs.

Unsere Milchstraßengalaxie von der Erde aus gesehen. Glücklicherweise sind wir weit vom Zustand maximaler Entropie des Universums entfernt. (Quelle)

Hier ist das Interessante: Das Uruniversum ist die Konfiguration des Universums mit der niedrigsten Gesamtentropie. Warum das? Denken Sie noch einmal an das Beispiel Wasser / Eiswürfel. Schwerkraftklumpen. Wenn Sie eine zufällige Zeit wählen, um das Universum zu beobachten, ist es weitaus wahrscheinlicher, dass Sie es mit zufällig gebildeten Klumpen finden, als in einem Zustand, in dem alles homogen verteilt ist. Das Universum in einem Zustand nahezu perfekter Homogenität zu finden, ist wie einen Bleistift zu finden, der perfekt auf seiner Spitze balanciert ist. Es ist instabil.

Was ist mit der Entropie des Universums in sehr ferner Zukunft? Auf einer Zeitskala, die viel länger ist als das gegenwärtige Alter des Universums, werden alle Sterne letztendlich ausbrennen, alle Planeten werden ihre Umlaufbahnen verlassen und von größeren Körpern verbraucht werden, und Galaxien werden aufhören zu existieren. Auf noch längeren Zeitskalen verdampfen alle Schwarzen Löcher, die den größten Teil der Materie aufgenommen haben, vollständig. Danach erreicht das Universum ein sogenanntes thermodynamisches Gleichgewicht, eine stabile Konfiguration ohne Neubildung von Sternen oder Planeten, eine Konfiguration, die auch als Hitzetod des Universums bezeichnet wird. Dies ist der Zustand maximaler Entropie und wird nach mindestens einem Googol-Jahr geschätzt.

Wenn Sie das nächste Mal Eiswasser haben, denken Sie darüber nach: Der wahrscheinlichste Zustand des Universums auf einer Zeitskala von Googolen von Jahren ist der Zustand maximaler Entropie, der Hitzetod. Wir, unser Planet, unser Sonnensystem, unsere Galaxie sind nur eine Anomalie auf dem Weg des Universums von der minimalen zur maximalen Entropie.

Schlussfolgerung: Entropie und Leben

Ein Schreibtisch in einem Zustand maximaler Entropie. (Quelle)

Lassen Sie mich mit einer Analogie zwischen dem Konzept der Entropie und dem Leben schließen: Standardmäßig neigt alles in unserem Leben dazu, ein Chaos oder ein Zustand hoher Entropie zu werden, es sei denn, wir setzen Energie und Aufmerksamkeit darauf. In gewisser Weise ist der unordentliche Schreibtisch oben das Ergebnis des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik. Es könnte darauf hingewiesen werden, dass die Dinge, die dem Leben den größten Sinn und Zweck geben, genau die Dinge sind, die die Entropie lokal reduzieren und daher der natürlichen Tendenz des Universums zur Unordnung widersprechen.