Jeśli klikniesz na ten obrazek, zobaczysz powiększony obraz Drogi Mlecznej z 84 milionami gwiazd:

Ale gwiazdy przyczyniają się tylko do niewielkiego ułamka całkowitej entropii w obserwowalnym Wszechświecie. Jeśli chcesz przypadkowej informacji, poszukaj jej gdzie indziej!

Po pierwsze: czym dokładnie jest „obserwowalny Wszechświat”?

Im dalej patrzysz w głąb Wszechświata, tym bardziej cofasz się w czasie. Nie możesz zobaczyć przez gorący gaz z 380 000 lat po Wielkim Wybuchu. Ta „ściana ognia” wyznacza granice obserwowalnego Wszechświata.

Ale w miarę rozszerzania się Wszechświata, odległe starożytne gwiazdy i gaz, które widzimy, przesunęły się jeszcze dalej, więc nie są już obserwowalne. Tak więc, tak zwany „obserwowalny Wszechświat” jest tak naprawdę „dawniej obserwowalnym Wszechświatem”. Jego krawędź znajduje się teraz w odległości 46,5 miliarda lat świetlnych!

Jest to prawdą, mimo że Wszechświat ma tylko 13,8 miliarda lat. Standardowym wyzwaniem w zrozumieniu ogólnej teorii względności jest ustalenie, jak to jest możliwe, biorąc pod uwagę, że nic nie może poruszać się szybciej niż światło.

Jaka jest całkowita liczba gwiazd w obserwowalnym Wszechświecie? Szacunki wzrastają wraz z udoskonalaniem teleskopów. Obecnie ludzie uważają, że w Drodze Mlecznej znajduje się od 100 do 400 miliardów gwiazd. Uważają, że we Wszechświecie jest od 170 miliardów do 2 bilionów galaktyk.

W 2009 roku Chas Egan i Charles Lineweaver oszacowali całkowitą entropię wszystkich gwiazd w obserwowalnym Wszechświecie na 1081 bitów. Powinieneś myśleć o tym jak o qubitach: jest to ilość informacji do opisania stanu kwantowego wszystkiego w tych wszystkich gwiazdach.

Ale entropia międzygwiezdnego i międzygalaktycznego gazu i pyłu jest około dziesięć razy większa niż entropia gwiazd! Jest to około 1082 bity.

Atropia we wszystkich fotonach we Wszechświecie jest jeszcze większa! Wszechświat jest pełen promieniowania pozostałego po Wielkim Wybuchu. Fotony w obserwowalnym Wszechświecie, które pozostały po Wielkim Wybuchu, mają całkowitą entropię około 1090 bitów. Nazywa się to „kosmicznym mikrofalowym promieniowaniem tła”.

Neutrina z Wielkiego Wybuchu również niosą około 1090 bitów – nieco mniej niż fotony. Grawitony niosą znacznie mniej, około 1088 bitów. To dlatego, że oddzieliły się one od innej materii i promieniowania bardzo wcześnie i od tego czasu stygły. Z drugiej strony, fotony w kosmicznym mikrofalowym promieniowaniu tła powstawały w wyniku anihilacji
par elektron-pozyton do około 10 sekund po Wielkim Wybuchu. Dlatego oczekuje się, że promieniowanie grawitonowe będzie chłodniejsze niż mikrofalowe promieniowanie tła: około 0,6 kelwina w porównaniu z 2,7 kelwina.

Czarne dziury mają ogromnie więcej entropii niż wszystko, co do tej pory wymieniono. Egan i Lineweaver szacują entropię czarnych dziur o masie gwiazdowej w obserwowalnym Wszechświecie na 1098 bitów. Jest to związane z tym, dlaczego czarne dziury są tak stabilne: Drugie Prawo mówi, że entropia lubi rosnąć.

Ale entropia czarnych dziur rośnie czterokrotnie wraz z masą! Dlatego czarne dziury mają tendencję do łączenia się i tworzenia większych czarnych dziur – ostatecznie tworząc „supermasywne” czarne dziury w centrach większości galaktyk. To one dominują pod względem entropii obserwowalnego Wszechświata: około 10104 bitów.

Hawking przewidział, że czarne dziury powoli wypromieniowują swoją masę, gdy znajdują się w wystarczająco zimnym środowisku. Ale Wszechświat jest o wiele za gorący, aby supermasywne czarne dziury mogły teraz tracić masę. Zamiast tego, bardzo powoli rosną poprzez zjadanie kosmicznego mikrofalowego tła, nawet gdy nie zjadają gwiazd, gazu i pyłu.

Więc, tylko w dalekiej przyszłości Wszechświat ochłodzi się na tyle, aby duże czarne dziury zaczęły powoli rozpadać się poprzez promieniowanie Hawkinga. Entropia będzie nadal rosła… przechodząc głównie w fotony i grawitony! Proces ten będzie trwał bardzo długo. Zakładając, że nic do niej nie wpadnie i nie wystąpią żadne nieznane efekty, czarna dziura o masie Słońca potrzebuje około 1067 lat, aby wyparować z powodu promieniowania Hawkinga – podczas gdy naprawdę duża, porównywalna z masą galaktyki, powinna potrzebować około 1099 lat.

Jeśli nasze obecnie najbardziej popularne pomysły na ciemną energię są poprawne, Wszechświat będzie nadal rozszerzał się wykładniczo. Dzięki temu, wokół każdego obserwatora powstanie kosmologiczny horyzont zdarzeń, który będzie emitował promieniowanie Hawkinga w temperaturze około 10-30 kelwinów.

W tym scenariuszu Wszechświat w bardzo dalekiej przyszłości będzie składał się głównie z bezmasowych cząstek produkowanych jako promieniowanie Hawkinga w tej temperaturze: fotonów i grawitonów. Entropia w wykładniczo rozszerzającej się kuli przestrzeni, która jest dzisiaj naszym „obserwowalnym Wszechświatem”, będzie nadal rosła wykładniczo… ale co więcej, gęstość entropii zbliży się do gęstości gazu fotonów i grawitonów w równowadze termicznej w temperaturze 10-30 kelwinów.

Oczywiście, jest całkiem prawdopodobne, że w międzyczasie pojawi się jakaś nowa fizyka, która zmieni tę historię! Mam taką nadzieję: byłoby to raczej nudne zakończenie Wszechświata.

Więcej szczegółów znajdziesz tutaj:

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

Przeczytaj również moją stronę o informacji.