¿Cuál fue la entropía del universo en el momento del Big Bang?

Question

(Hice esta pregunta en Filosofía.SÍ; pero me aconsejaron directo aquí, a pesar de que es, en mi opinión, un poco demasiado especulativo de la física.SE).

De alta entropía generalmente significa gran desorden; y la baja entropía baja trastorno; los dos casos paradigmáticos que ilustran estas dos posibilidades es un gas, para el primero, y un cristal para el segundo.

Puesto que la Entropía siempre aumenta (en general); se espera que la entropía en el principio de que el universo debe ser el mínimo posible.

Lo que significa que debe ser considerado como un cristal.

Por otro lado, a medida que el universo se comprime a algo más pequeño que un átomo, uno espera que la temperatura a subir precipitadamente, y para cualquier estructura en la materia, y tal vez el espacio y el tiempo demasiado a 'derretir'; y, por tanto, el enfoque del estado de un gas (quizás plasma podría ser una mejor descripción aquí).

¿Cómo se puede resolver estas dos posibilidades?

¿Teniendo en cuenta que la singularidad es un agujero negro, permiten hacer algunas vigilado conjeturas aquí?

Answer 1

La baja entropía estado inicial del universo es un problema abierto sin una respuesta satisfactoria. Tu pregunta es la primera vez que he escuchado la sugerencia de que el estado inicial debería haber sido un cristal, que me recuerdan que el plasma de quarks-gluones, que fue el estado del universo, mientras que estaba demasiado caliente para los nucleones a ser estable, y ha demostrado ser de un mínimo de entropía del fluido.

Sean Carroll escribió un buen libro sobre el tema hace un par de años, que creo que era una extensión de este trabajo.

Answer 2

los dos casos paradigmáticos que ilustran estas dos posibilidades es un gas, para el primero, y un cristal para el segundo.

Paradigmas y ejemplos están muy bien, pero tenga cuidado de no asumir que ellos son las únicas posibilidades. En particular, los agujeros negros tienen la entropía, una gran cantidad de entropía. De hecho satura el Beckenstein Obligado.

La entropía de un agujero negro está dada por $$ S_\mathrm{BH} = \frac{k_\mathrm{B}A}{4\ell_\mathrm{P}^2} = \frac{\pi c^3k_\mathrm{B}R_\mathrm{S}^2}{G\hbar} = \frac{4\pi Gk_\mathrm{B}M^2}{\hbar c} = 5\times10^{76}\ k_\mathrm{B} \left(\frac{M}{M_\odot}\right)^2. $$ Los agujeros negros supermasivos en las galaxias' centros de gama en masa de alrededor de un millón a más de mil millones de masas solares, por lo que cada uno contribuye con algo como $10^{88}{-}10^{95}\ k_\mathrm{B}$ de la entropía.

Para la comparación, considere la posibilidad de la entropía de la actualidad del CMB. Con una densidad de energía $u = 4\times10^{-14}\ \mathrm{J/m^3}$, a una temperatura de $T = 2.7\ \mathrm{K}$, en un volumen de la radio $c/H_0 = 1.3\times10^{26}\ \mathrm{m}$, la entropía de este cuerpo negro fotones de gases $$ S_\mathrm{CMB} = \frac{4u}{3T} \cdot \frac{4\pi}{3} \left(\frac{c}{H_0}\right)^3 = 10^{88}\ k_\mathrm{B}. $$ As it turns out, star light and any non-relativistic particles contribute negligible amounts of entropy compared to $S_\mathrm{FMC}$ (de hecho, la temperatura del universo no-relativista de hidrógeno es irrelevante, "caliente", aunque puede ser).

Uno de los presentes-día agujero negro supermasivo puede tener más órdenes de magnitud de la entropía de todo el gas y el polvo y la radiación en los 14 mil millones de años luz de radio.

Puesto que la Entropía siempre aumenta (en general); se espera que la entropía en el principio de que el universo debe ser el mínimo posible.

Esto es una falacia lógica. A partir de la premisa de que "la entropía siempre aumenta," podemos derivar la conclusión de que "la entropía en el principio de que el universo fue menor de lo que es ahora." Nos podemos partir de esta premisa dicen nada acerca de la entropía absoluta de entonces. En particular, no hay ninguna razón por la que necesita ser cercano a cero o un valor mínimo en cualquier sentido. Es simplemente que no puede ser máxima.

Answer 3

Lo que voy a decir es especulativa y se basa en la mecánica estadística , la derivación de la entropía, y sólo la manera de ver y no considerar que existe un problema. Después de todo termodinámica teoría surge a partir de los estadísticos subyacentes nivel de interacciones atómicas y moleculares.

donde p_i es el probabability de microestado yo.

Dejando de lado la mecánica cuántica, para empezar, la Relatividad General da una singularidad en el principio, uno spacet punto en el tiempo. Este, cuenta como un microestado, es 1, con probabilidad 1, ya que todo está en un punto en el espacio-tiempo. Por Lo Tanto S=0.

Ahora sabemos que la naturaleza y en particular a las pequeñas dimensiones es la mecánica cuántica, lo que significa una incertidumbre debido a la naturaleza probabilística , la cual sólo puede ser estimado si uno tiene un concreto modelo cuantizado de la gravedad. Espero que el número de la entropía será pequeño, incluso en ese caso, al menos menor que la de la entropía, que cuentan como microstates, para la siguiente etapa después de que el locus de la clásica singularidad se pasa.

Answer 4

"Alta" y "baja" son términos relativos que también suele llevar a una antropocéntrica connotación. Lo "alto" significa que depende de lo que los seres humanos consideramos como una gran cantidad, pero a la termodinámica en la escala absoluta no importa! Lo que importa es sólo que hay un cambio de entropía estado a otro. Como siempre que hay un cambio, no importa cuán lento, hay una dinámica impulsada por un termodinámica plazo.

Cuáles han sido los cambios que está dado por el diagrama de fases del sistema. Veamos el problema asociado con la que: un diamante es un estado altamente ordenado de carbono, pero no es el estado fundamental. El diamante de la fase obviamente no es termodinámicamente estable, y sin embargo, usted puede seguir mirando a un diamante en la temperatura de la habitación como el tiempo que quieras, no se va a convertir en un trozo de carbón. Que, sin embargo, es una consecuencia de la escala de tiempo humana, no es lo que fundamentalmente pasa el diamante en el largo plazo: que a su vez, el carbón de un largo tiempo después de que todos nosotros nos hemos convertido en polvo. Tenemos un montón de ejemplos de muy lentas las transiciones de fase de este tipo. El más lento de la sospecha de que uno puede ser el agujero negro de la evaporación.

Así que estamos frente a un par de problemas difíciles aquí: por un lado, no sabemos el real diagrama de fase del universo, e incluso si lo supiera, no habría una manera fácil de saber qué escalas de tiempo de las transiciones de fase para una mayor entropía estado va a llevar! La siguiente fase de transición (a partir de la fase del universo que vemos, por ahora) a la fase del universo, lo que vendrá a continuación, puede muy bien ocurrir en una escala de tiempo de 1e40-1e100 años, más o menos (si creemos agujero negro de la evaporación, la desintegración de protones estimaciones etc.). Sin embargo, si se mira en la escala de tiempo de la fase de transición desde la perspectiva de un "normal" de la escala de tiempo de la siguiente fase, puede ocurrir que en un instante... o tan pronto como la inflación que puede haber sucedido en la escala de tiempo humano de la percepción.

Este argumento puede ser emplazados a infinitum y que básicamente se aísla cada fase del universo a partir de la siguiente por un abisal escala de tiempo.

Answer 5

En el universo temprano, se conserva la entropía (dS = 0). Esto viene de las ecuaciones de la relatividad general, pero también puede entenderse por pensar en términos de dinámica clásica: el universo es un sistema cerrado, calor no se intercambia cuando expande, así que su entropía debe no variable.