Энтропия Вселенной

Величина Формула расчета Значение
Полная энтропия видимой части
Удельная энтропия фотонного газа см−3

Энтропи́я Вселе́нной — величина, характеризующая степень неупорядоченности и тепловое состояние Вселенной.

Классическое определение энтропии и способ её вычисления не подходят для Вселенной, так как в ней действуют силы гравитации, и вещество само по себе не образует замкнутой системы. Однако можно доказать, что в сопутствующем объёме полная энтропия сохраняется[⇨].

В сравнительно медленно расширяющейся Вселенной энтропия в сопутствующем объёме сохраняется, а по порядку величины энтропия равна числу фотонов[1].

Текущее значение энтропииПравить

Хотя ко Вселенной как целому нельзя применить понятие энтропии, это может быть сделано для ряда подсистем вселенной, допускающих термодинамическое и статистическое описание (например, к взаимодействующим подсистемам всех компактных объектов, теплового реликтового электромагнитного излучения, реликтовых нейтрино и гравитонов). Энтропия компактных объектов (звёзд, планет и т. д.) ничтожно мала по сравнению с энтропией реликтовых безмассовых (и почти безмассовых) частиц — фотонов, нейтрино, гравитонов. Плотность энтропии реликтовых фотонов, образующих равновесное тепловое излучение с современной температурой T = 2,726 К, равна

  см−3 ≈ 2,06 · 10−13 эрг · К−1 · см−3,

где σпостоянная Стефана — Больцмана,

cскорость света,
kпостоянная Больцмана.

Плотность числа фотонов теплового излучения пропорциональна плотности его энтропии:

 

Каждый из сортов безмассовых (или лёгких, с массой много меньше 1 МэВ) нейтрино вносит в космологическую плотность энтропии вклад   поскольку в стандартной космологической модели они отцепляются от вещества раньше фотонов, и их температура ниже:   Можно показать также, что тепловые реликтовые гравитоны, отцепляющиеся от вещества намного раньше нейтрино, вносят в энтропию вклад, не превосходящий  

Таким образом (если считать, что за рамками Стандартной Модели нет большого числа разновидностей неизвестных нам лёгких стабильных частиц, которые могут рождаться в ранней Вселенной и практически не взаимодействуют с веществом при низких энергиях), следует ожидать, что плотность энтропии Вселенной не более чем в несколько раз превосходит   Поскольку крупномасштабное гравитационное поле весьма упорядоченно (Вселенная на больших масштабах однородна и изотропна), естественно считать, что с этим компонентом не связана никакая существенная разупорядоченность, которая могла бы внести значительный вклад в общую энтропию. Отсюда полную энтропию наблюдаемой Вселенной можно оценить как произведение её объёма V на  

 

где L ≈ 46 млрд световых лет ≈ 4,4·1028 см — расстояние до современного космологического горизонта (радиус наблюдаемой Вселенной) в общепринятой космологической модели ΛCDM. Для сравнения, энтропия чёрной дыры с массой, равной массе наблюдаемой Вселенной, составляет ~10124 k — на 34 порядка больше; это показывает, что Вселенная является существенно упорядоченным, низкоэнтропийным объектом, и предположительно является причиной существования термодинамической стрелы времени[2].

Удельную энтропию Вселенной часто нормируют на плотность барионов nb. Безразмерная удельная энтропия реликтового излучения  

Закон сохранения энтропии во ВселеннойПравить

В современной Вселенной, начиная по крайней мере с момента 1 с после начала расширения, энтропия в сопутствующем объёме нарастает очень медленно (процесс расширения практически адиабатичен)[2]. Это положение можно выразить как (приближённый) закон сохранения энтропии во Вселенной. Важно осознавать, что он не имеет настолько фундаментального статуса, как законы сохранения энергии, импульса, заряда и т.п., и является лишь хорошим приближением для некоторых (но не всех) этапов развития Вселенной (в частности, для современной Вселенной).

В общем случае, приращение внутренней энергии имеет вид:

 

Учтем, что химические потенциалы μi частиц и античастиц равны по значению и противоположны по знаку:[уточнить]

 

Если считать расширение равновесным процессом, то последние выражение можно применить к сопутствующему объёму ( , где   — «радиус» Вселенной). Однако в сопутствующем объёме разница частиц и античастиц сохраняется. Учитывая этот факт, имеем:

 

Но причиной изменения объёма является расширение. Если теперь, учитывая это обстоятельство, продифференцировать по времени последнее выражение, получаем:

 

Теперь, если заменить   на постоянную Хаббла и подставить уравнение неразрывности, входящее в систему уравнений Фридмана, в правой части получаем нуль:

 

Последнее означает, что энтропия в сопутствующем объёме сохраняется (поскольку температура не равна нулю).

ПримечанияПравить

  1. Валерий Рубаков, Борис Штерн. Сахаров и космология // «Троицкий вариант» № 10(79), 24 мая 2011 г.
  2. 1 2 Розгачёва И. К., Старобинский А. А. Энтропия Вселенной // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая российская энциклопедия, 1999. — Т. 5: Стробоскопические приборы — Яркость. — С. 618—620. — 692 с. — 20 000 экз. — ISBN 5-85270-101-7.

ЛитератураПравить

СсылкиПравить