Entropie

Was es für Eiswürfel, Zeit und das Universum bedeutet

Eines meiner Lieblingsfächer, als ich Physik studierte, 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 gesehen ist Entropie eine Größe, die proportional zur Anzahl der "mikroskopischen Konfigurationen" ist, die mit dem beobachteten "makroskopischen Zustand" übereinstimmen. Einfach ausgedrückt 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 geringer Entropie. Hier ist einer, der dabei ist, die Entropie zu erhöhen. (Quelle)

Hier ein Beispiel: Betrachten Sie einen Eiswürfel in einem Glas Wasser. Der Eiswürfel schmilzt, bis nur noch Wasser im Glas 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 hat als der Anfangszustand.

Eine andere Möglichkeit, über Entropie nachzudenken, besteht in der Wahrscheinlichkeit oder Wahrscheinlichkeit. Überlegen Sie, ob Sie das Glas Wasser mit dem Eiswürfel in einem Raum lassen und dann zu einer zufällig ausgewählten Zeit zwischen jetzt und etwa einem Jahr darauf zurückgreifen möchten. Die Wahrscheinlichkeit, dass Sie das Glas Wasser finden, bei 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 es sich um eine so unwahrscheinliche Konfiguration in der gesamten Zeitachse handelt.

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 größer. Dies ist als der zweite Hauptsatz der Thermodynamik bekannt.

Entropie und Zeit

Die Entropie ist eine so wichtige Größe, weil sie einen Zeitpfeil definiert. Stellen Sie sich zwei Videos vor, in denen ein Eiswürfel langsam in einem Glas Wasser schmilzt und in denen das Gegenteil der Fall ist: 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 Sie können zurückgehen. Andererseits ist es schwierig, sich ein Universum vorzustellen, in dem die Zeit in beide Richtungen verläuft: Vergangenheit und Gegenwart, Geburt und Tod wären austauschbar. In einem solchen Universum könnten wir nicht zwischen einem Video eines schmelzenden Eiswürfels unterscheiden, das vorwärts und rückwärts abgespielt wird, und es gäbe keinen zweiten Hauptsatz der Thermodynamik.

Entropie und das Universum

Hier ist eine kurze Einführung in die Geschichte des Universums. Kurz nach dem Urknall (vor ungefähr 14 Milliarden Jahren) befand sich das Universum in einer Konfiguration, die überall fast genauso 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 zu Sternen und Galaxien. Wir nennen dieses Baby-Universum auch das Uruniversum. Das heutige Universum ist dagegen sehr inhomogen: Auf der Oberfläche der Erde zu sein ist eine völlig andere Erfahrung als im Weltraum, auf der Oberfläche der Sonne oder in der Nähe eines Schwarzen Lochs.

Unsere Milchstraße, 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 ist das so? 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 es sich um zufällig gebildete Klumpen handelt, als in einem Zustand, in dem alles homogen verteilt ist. Das Universum in einem Zustand nahezu perfekter Homogenität zu finden, ist wie einen Stift 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 Zeitalter des Universums, werden alle Sterne am Ende ausbrennen, alle Planeten ihre Umlaufbahnen verlassen und von größeren Körpern verzehrt werden und Galaxien werden nicht mehr existieren. Auf noch längeren Zeitskalen verdunsten alle Schwarzen Löcher, die den größten Teil der Materie absorbiert haben, vollständig. Danach wird das Universum ein sogenanntes thermodynamisches Gleichgewicht erreichen, eine stabile Konfiguration ohne jegliche Neubildung von Sternen oder Planeten, eine Konfiguration, die auch als Hitzetod des Universums bezeichnet wird. Dies ist der Zustand maximaler Entropie, der nach mindestens einem Googol-Jahr eintritt.

Wenn Sie das nächste Mal Eiswasser haben, denken Sie darüber nach: Der wahrscheinlichste Zustand des Universums auf einer Zeitskala von Googols 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.

Fazit: Entropie und Leben

Ein Schreibtisch mit maximaler Entropie. (Quelle)

Lassen Sie mich mit einer Analogie zwischen dem Konzept der Entropie und dem Leben schließen: Standardmäßig tendiert alles in unserem Leben dazu, ein Chaos oder einen Zustand hoher Entropie zu werden, sofern wir nicht Energie und Aufmerksamkeit darauf verwenden. In gewisser Weise ist das unordentliche Pult das Ergebnis des Zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik. Es könnte darauf hingewiesen werden, dass die Dinge, die dem Leben den größten Sinn und Zweck verleihen, genau die Dinge sind, die lokal die Entropie verringern und daher der natürlichen Tendenz des Universums zu Unordnung widersprechen.