Wenn Sie auf dieses Bild klicken, sehen Sie ein zoombares Bild der Milchstraße mit 84 Millionen Sternen:

Aber die Sterne tragen nur einen winzigen Teil zur Gesamtentropie im beobachtbaren Universum bei. Wenn Sie zufällige Informationen wollen, suchen Sie woanders!

Erstens: Was genau ist das „beobachtbare Universum“?

Je weiter man ins Universum hinausschaut, desto weiter schaut man in der Zeit zurück. Man kann nicht durch das heiße Gas von 380.000 Jahren nach dem Urknall sehen. Diese „Feuerwand“ markiert die Grenzen des beobachtbaren Universums.

Aber während sich das Universum ausdehnt, haben sich die entfernten alten Sterne und das Gas, das wir sehen, noch weiter entfernt, so dass sie nicht mehr beobachtbar sind. Daher ist das so genannte „beobachtbare Universum“ in Wirklichkeit das „ehemals beobachtbare Universum“. Sein Rand ist jetzt 46,5 Milliarden Lichtjahre entfernt!

Dies ist wahr, obwohl das Universum nur 13,8 Milliarden Jahre alt ist. Eine Standardherausforderung beim Verständnis der allgemeinen Relativitätstheorie besteht darin, herauszufinden, wie dies möglich ist, da sich nichts schneller als das Licht bewegen kann.

Wie hoch ist die Gesamtzahl der Sterne im beobachtbaren Universum? Die Schätzungen steigen mit der Verbesserung der Teleskope. Momentan geht man davon aus, dass es zwischen 100 und 400 Milliarden Sterne in der Milchstraße gibt. Man geht davon aus, dass es im Universum zwischen 170 Milliarden und 2 Billionen Galaxien gibt.

Im Jahr 2009 schätzten Chas Egan und Charles Lineweaver die Gesamtentropie aller Sterne im beobachtbaren Universum auf 1081 Bits. Man sollte sich das als Qubits vorstellen: das ist die Menge an Information, die nötig ist, um den Quantenzustand von allem in all diesen Sternen zu beschreiben.

Aber die Entropie von interstellarem und intergalaktischem Gas und Staub ist etwa zehnmal größer als die Entropie der Sterne! Sie beträgt etwa 1082 Bits.

Die Entropie in allen Photonen im Universum ist sogar noch größer! Das Universum ist voll von Strahlung, die vom Urknall übrig geblieben ist. Die Photonen im beobachtbaren Universum, die vom Urknall übrig geblieben sind, haben eine Gesamtentropie von etwa 1090 Bits. Man nennt sie die „kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung“.

Die Neutrinos aus dem Urknall haben ebenfalls eine Gesamtentropie von etwa 1090 Bits – etwas weniger als die Photonen. Die Gravitonen tragen viel weniger, etwa 1088 Bits. Das liegt daran, dass sie sich sehr früh von anderer Materie und Strahlung gelöst haben und seither abkühlen. Die Photonen in der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung hingegen wurden bis etwa 10 Sekunden nach dem Urknall durch die Annihilation von Elektron-Positron-Paaren gebildet. Daher wird erwartet, dass die Graviton-Strahlung kühler ist als die Mikrowellen-Hintergrundstrahlung: etwa 0,6 Kelvin im Vergleich zu 2,7 Kelvin.

Schwarze Löcher haben eine immens höhere Entropie als alles bisher genannte. Egan und Lineweaver schätzen die Entropie stellarmassiger schwarzer Löcher im beobachtbaren Universum auf 1098 Bits. Das hängt damit zusammen, warum Schwarze Löcher so stabil sind: Das Zweite Gesetz besagt, dass die Entropie gerne zunimmt.

Aber die Entropie Schwarzer Löcher wächst quadratisch mit der Masse! Daher neigen Schwarze Löcher dazu, zu verschmelzen und größere Schwarze Löcher zu bilden – und schließlich die „supermassiven“ Schwarzen Löcher in den Zentren der meisten Galaxien zu bilden. Diese dominieren die Entropie des beobachtbaren Universums: etwa 10104 Bits.

Hawking sagte voraus, dass schwarze Löcher ihre Masse langsam abstrahlen, wenn sie sich in einer ausreichend kalten Umgebung befinden. Aber das Universum ist viel zu heiß, als dass supermassereiche Schwarze Löcher jetzt Masse verlieren könnten. Stattdessen wachsen sie sehr langsam, indem sie den kosmischen Mikrowellenhintergrund verzehren, selbst wenn sie keine Sterne, Gas und Staub verzehren.

Das Universum wird sich also erst in ferner Zukunft so weit abkühlen, dass große schwarze Löcher langsam durch Hawking-Strahlung zerfallen. Die Entropie wird weiter zunehmen … hauptsächlich in Form von Photonen und Gravitonen! Dieser Prozess wird sehr lange dauern. Unter der Annahme, dass nichts hineinfällt und keine unbekannten Effekte dazwischenkommen, braucht ein Schwarzes Loch von der Masse einer Sonne etwa 1067 Jahre, um durch Hawking-Strahlung zu verdampfen – während ein wirklich großes Loch, vergleichbar mit der Masse einer Galaxie, etwa 1099 Jahre brauchen sollte.

Wenn unsere derzeit populärsten Vorstellungen über dunkle Energie richtig sind, wird sich das Universum weiterhin exponentiell ausdehnen. Dadurch wird es einen kosmologischen Ereignishorizont geben, der jeden Beobachter umgibt und Hawking-Strahlung mit einer Temperatur von etwa 10-30 Kelvin abstrahlt.

In diesem Szenario wird das Universum in sehr ferner Zukunft hauptsächlich aus masselosen Teilchen bestehen, die bei dieser Temperatur als Hawking-Strahlung entstehen: Photonen und Gravitonen. Die Entropie innerhalb des exponentiell expandierenden Raumballs, der heute unser „beobachtbares Universum“ ist, wird weiterhin exponentiell zunehmen… aber genauer gesagt wird sich die Entropiedichte der eines Gases aus Photonen und Gravitonen im thermischen Gleichgewicht bei 10-30 Kelvin annähern.

Natürlich ist es sehr wahrscheinlich, dass bis dahin neue physikalische Erkenntnisse auftauchen, die die Geschichte verändern! Ich hoffe es, denn das wäre ein ziemlich langweiliges Ende des Universums.

Für mehr Details, siehe hier:

– Chas A. Egan und Charles H. Lineweaver, A larger estimate of the entropy of the universe, The Astrophysical Journal 710 (2010), 1825.

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