问爱善: 宇宙大爆炸时的熵是什么？

撰稿人Ethan Siegel

Apr 15, 2017 @ 10:00 AM

从一声爆炸开始

    宇宙就在那里，等待着你去发现它。

    由福布斯撰稿人表达的意见都是他们自己的。

    从一声爆炸开始致力于探索我们知道的宇宙以及我们怎样知道它的故事，重点放在物理学、天文学和宇宙告诉我们关于它自己的科学故事上。由博士科学家撰写并由天体物理学家爱善·西格尔编辑创建的，我们的目标是来分享科学发现的喜悦、惊奇和敬畏。

    作者是福布斯的撰稿人。表达的意见是作家的那些。

  回头看自大爆炸起对应各种各样时代的各种各样的距离。熵已经总是增加了的。

NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

    热力学第二定律是那些令人费解的简单的从基本规则中浮现的自然法则之一。它说一种这个宇宙中无序的度量的熵一定总是在任何封闭的系统中增加的。但看起来被组织成太阳系、星系和错综复杂的宇宙结构并有序的在一起的我们的今天的宇宙某种程度是以一种比刚好在大爆炸后有一个更高的熵的状态怎样有可能的呢？这是我们的庇护（Patreon）支持者帕特里克丹尼斯想知道的:

    熵和时间的共同理解意味着恰在大爆炸之后的一个非常低熵的状态。然而，这一刻通常被描述为光子、夸克和电子的 "汤",某些通过与日常教科书的例子相比似乎是非常高的熵的东西.....。那个原始状态低熵是什么样子呢？

    时间的热力学箭头意味着熵总是上升的, 因此今天是比它过去的更好和更大的。

早期宇宙充满物质和辐射, 并且是如此炎热和致密以致夸克和胶子的存在并没有形成单个的质子和中子, 而是仍停留在夸克-胶子等离子体中。RHIC collaboration, Brookhaven

    还有, 如果我们思考关于这个早期的宇宙, 它确实看起来就像一个高熵状态!试想一下: 一个粒子的海洋, 包括物质、反物质、胶子、中微子和光子全都在比甚至今天的LHC能得到的更高数十亿倍的能量上呼啸着。有这么多的它们-----也许共计10^ 90个------全都挤在一个小的像橄榄球容积内。就在热大爆炸的瞬间, 这个拥有这些巨大能量粒子的微小的区域将在未来的138亿年中成长为我们的整个可观测的宇宙。

我们的宇宙, 从热大爆炸直到今天, 经历了一个巨大量的增长和演变，并继续这样做。NASA / CXC / M.Weiss

    很明显, 今天的宇宙是远更凉、更大、更充满构造和非均匀的。但我们能实际上按照玻耳兹曼的常数k量化这个宇宙的在大爆炸时刻的和今天的熵。在大爆炸的时刻, 几乎所有的熵都是由于辐射,并且这个宇宙的总熵是s =10⁸⁸k_B。另一方面, 如果我们计算今天宇宙的熵, 它约是百万的四次幂大的: s = 10¹⁰³k_B。虽然这两个数字似乎很大的, 前者的数字比后者是最明确的低熵: 它仅是它的0.0000000000001%大!

正如我们今天所看到的这个宇宙是比早期宇宙是的远更堆块、更聚集的和产生星光的。因此为什么熵是如此不同？ESA, NASA, K. Sharon (Tel Aviv University) and E. Ofek (Caltech)

    然而, 当我们谈论这些数字时有一个重要的事情要记住的。当你听到类似"一种无序的度量"的术语谈论时, 它实际上是一个非常非常糟糕的熵实际上是的的描述。试想, 相反, 你已经有了任何你喜欢的系统: 物质、辐射、不管它是动能的、潜在的、场能还是其它的类型。熵实际上度量的是你可能安排你的系统的状态的数量。

在左边一个在初始条件下建起的系统并让演变将自发的变成右边的系统, 在这个过程中获得熵。Wikimedia Commons users Htkym and Dhollm

    比如说如果你的系统有一个冷的部分和一个热的部分, 你能比如果整个东西是同一温度用更少的方式来安排它。上面左边的系统是一个比右边的一个有更低熵的系统。在宇宙微波背景中的光子实际上今天有如它们在宇宙第一次诞生时有的一样的熵。这就是为什么人们说宇宙绝热的膨胀, 这意味着有一个恒定的熵。在我们可能观察星系、恒星、行星等并且惊叹于它们看起来是多么有序或无序的同时, 它们的熵是微不足道的。因此什么导致了巨大的熵增加的呢？

黑洞是某些不是宇宙天生的东西, 而是随着时间的推移成长获得的。它们现在主宰着这个宇宙的熵。Ute Kraus, Physics education group Kraus, Universität Hildesheim; Axel Mellinger (background)

    答案是黑洞。如果你考虑所有的粒子都来制造一个黑洞, 它是一个巨大的数字。一旦你落入一个黑洞,你不可避免的到达一个奇点。并且状态的数量是直接的成正比于黑洞中的粒子的质量, 因此你越形成黑洞(或你的黑洞得到更大的质量), 你在这个宇宙中获得的熵越多。单独的银河系的超质量黑洞有一个s = 10⁹¹ kb的熵,大约是一个在大爆炸超过整个宇宙1000的因数。鉴于星系的数量和一般的黑洞的质量, 今天的总熵已经达到一个s=10¹⁰³kb的值。

我们星系中心的黑洞射手座 *的 x 射线/红外线复合图像。它有一个大约四百万个太阳的质量和一个比整个大爆炸的那个大1000倍的熵。X-ray: NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI

    这只会变得更糟!在遥远的未来, 将形成越来越多的黑洞, 而今天存在的大黑洞将在未来10²⁰年内继续增长。如果你要把整个宇宙变成一个黑洞, 我们会达到一个大约s = 10¹²³ kb的最大熵, 或者一个大于今天熵的百万的五次幂的因子。当这些黑洞在更大的时间刻度上------大到10¹⁰⁰年------衰变那个熵将保持几乎恒定的, 因为由衰变的黑洞产生的黑洞辐射(霍金)将与从前存在的黑洞本身有同样的可能的安排状态的数量。

在足够长的时间刻度上, 由于霍金辐射黑洞收缩和蒸发。这是发生信息丢失的地方, 因为辐射不再包含曾经编码在地平线上的信息。Illustration by NASA

    因此为什么早期宇宙是如此低熵呢？因为它没有任何黑洞。一个s =10⁸⁸ kb 的熵仍然是一个巨大的值, 但它是整个宇宙的熵, 这几乎完全的被编码在从大爆炸剩下的辐射 (并且到一个稍微更小的程度, 中微子)中。因为当我们看到宇宙的像恒星、星系时的"东西"与剩下的背景相比有一个微不足道的熵, 这很容易把我们自己愚弄成认为熵随着结构形成显著的变化, 但这只是一个巧合, 不是原因。

至少, 宇宙要形成它的那个第一颗恒星和它的第一个黑洞要用数千万年的时间。直到那个发生为止, 宇宙的熵在一个99%的准确性上保持不变的。NASA/CXC/CfA/R. Kraft et al.

    如果没有像黑洞之类的东西的话, 宇宙的熵将在过去的138亿年里会几乎一直是恒定的!那个原始状态实际上有过一个相当可观的熵的量，这只是在于黑洞有这么更多的, 而从一个宇宙的角度来做是如此容易的。

    发送你的问爱善问题到 startswithabang at gmail dot com!

天体物理学家和作者爱善·西格尔是从一声爆炸开始！的创始人和主要作家。查阅他的第一本书，超越银河，并寻找他的第二本迁徙术（Treknology）今年 10 月！

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/ 2017/04/15/ask-ethan-what-was-the-entropy-of-the-universe-at-the-big-bang/#2a2fe3f17280