Поговорим об энтропии Вселенной и черных дыр

don_beaver — 16.12.2023

Когда-то в Астросовете, когда я был аспирантом, бытовала такая традиция: все, кто собирался участвовать в чаепитии, собирались и бросали кости. Набравший минимальное число шел в магазин за печеньем и т.д. Бросание костей называлось научно «борьбой с энтропией». Спустя сорок лет я начал новый этап борьбы с энтропией!

В сентябре мне написал редактор журнала «Энтропия» с предложением написать статью в их журнал (без обычной оплаты; я принципиально не плачу за публикацию своих статей – за исключением тех, которые написаны для НАСА, и оно само за них платит). Предложение показалось мне заманчивым, и я быстро написал статью «Entropy of Black Holes and an Oscillating Universe», без особой надежды на успех у рецензентов, зато разместив ее на Prepints.org: https://www.preprints.org/manuscript/202311.1978/v1

Мою статью долго рассматривали 4 рецензента, два из которых высказались «за» (с замечаниями), а двое - против. Двое отметили, что нет конкретной математической модели Вселенной (как видно из препринта, я ее туда не включал, потому что рассмотрение энтропии слабо зависит от конкретной модели). Редакция предложила мне доработать статью, что я и сделал, ответив на замечания рецензентов и включив в текст два десятка уравнений из своих статей в MNRAS. Сейчас жду второй волны рецензий. Не исключено, что статья все-таки прорвется! Одновременно размышляю об удивительных свойствах энтропии черных дыр. Приглашаю вас тоже поразмыслить. Возможно, в обсуждении что-нибудь выскочит полезное для статьи. Привожу пару картинок из статьи с переводом подписей:

Рис. 2. Один цикл простейшей модели Вселенной, состоящей из барионов (галактик) и черных дыр (черных точек). Вселенная колеблется внутри черной дыры (МегаДыры). Цикл начинается со сжатия (а), которое переходит в Большое сжатие (b). За коллапсом Вселенной следует Большой взрыв (c). Этап (d) соответствует нашему времени. Большая черная дыра будет продолжать расти (e), пока не поглотит все галактики и черные дыры (f), после чего цикл возвращается к стадии (а). Размер Большой черной дыры (BBH) на рисунке 2f приближается к размеру Мегадыры, поскольку она поглощает всю материю Вселенной. Фактически BBH трансформируется в МегаДыру, и космологический цикл может начаться со стадии 2а, когда наблюдаемая часть Вселенной коллапсирует внутри бывшей BBH или новой МегаДыры.

Рисунок 3. Эволюция энтропии в циклической модели Вселенной. Вверху пунктирная линия представляет максимальную энтропию Вселенной с точки зрения внешнего наблюдателя: S_ext=S_MegaHole. Черная линия представляет энтропию Большой черной дыры S_BBH, которая образуется в момент Большого взрыва. Первоначально BBH быстро растет, но, после поглощения почти всей Вселенной, ее рост резко замедляется из-за почти нулевой плотности окружающей среды. Энтропия видимой Вселенной (без учета BBH) S_(stars+BHs) показана красным. Между Большими Взрывами она медленно увеличивается на относительно небольшую величину и резко уменьшается в момент Большого Взрыва, так как часть вещества и энтропии Вселенной расходуется на создание ЧДД, энтропия которой даже в начальный момент превышает энтропия всей остальной Вселенной. Если суммировать S_(stars+BHs) и S_BBH, мы получим общую энтропию Вселенной в этом цикле, которая близко приближается к энтропии наблюдаемой части Вселенной S_inn, обозначенной зеленой линией. Постепенно Большая Черная Дыра поглотит Вселенную, вызывая уменьшение S_inn по сравнению с суммой S_(stars+BHs) и S_BBH. Поэтому зеленая кривая начинает сходиться с черной линией, и когда наблюдатель поглощается растущей BBH, зеленая линия обрывается, и энтропия наблюдаемой части Вселенной совпадает с S_(stars+BHs). Есть много внутренних наблюдателей: некоторые поглощаются BBH раньше (пунктирная зеленая линия 1), а другие поглощаются позже (пунктирная зеленая линия 2). Стадия А – расширение видимой части Вселенной; Стадия B – коллапс Вселенной; Стадия С – Большой взрыв.

Вот интересная ситуация: пусть у нас есть черная дыра с энтропией S1. Внутри у нее растет вторая дыра с энтропией S2, поглощая вещество первой дыры. С точки зрения внешнего наблюдателя X, который не в курсе, что там внутри, энтропия дыры постоянна S1=const. С точки зрения внутреннего наблюдателя Y, для которого энтропия внешней дыры не существует (потому что ее температура определена только для внешнего наблюдателя),  есть только растущая энтропия внутренней дыры S2 плюс окружающего вещества. С точки зрения наблюдателя Z, который провалился в растущую дыру, энтропия наблюдаемой им части Вселенной резко уменьшилась и равна лишь энтропии вещества S3, содержащегося внутри дыры.

Когда поверхность внутренней дыры приблизилась к поверхности внешней дыры, между ними все наблюдатели Y исчезли и когда эти поверхности сливаются, то никакого суммирования энтропии не происходит – энтропия внешней дыры S1 для внешнего наблюдателя X останется постоянной, а наблюдатели Z будут видеть внутреннее вещество дыры, накапливающее энтропию в ходе эволюции и создания новых дыр.

То есть, энтропия в такой системе не суммируется, а поглощается. Нарушения второго закона термодинамики, который гласит, что энтропия не может уменьшаться, нет: энтропия для внешнего наблюдателя постоянна, а для внутреннего – всегда растет (пока он не падает внутрь дыры). Таким образом, опровергается знаменитый аргумент Толмена против циклической Вселенной, который заключался в том, что энтропия такой Вселенной должна расти (что исключает подлинную цикличность). Этот аргумент не работает для замкнутой в черной дыре Вселенной с идеальным циклом переработки энергии и вещества и даже с цикличностью энтропии, не нарушающей второй закон термодинамики.

Оставить комментарий

Популярные посты:

vitellius

Все этапы оформления рабочей визы в РФ

shi_ra

Национальные парки Невады, Аризоны и Юты, день второй: каньон Зайон

irina_co

Шоколадный рождественский кекс с фруктовой начинкой

vitkvv2017

Роскошная Моника Беллуччи в новом выпуске журнала Telva

anonim_from_rus

Абхазия: у России есть 72 часа, чтобы возобновить бесплатные поставки

loversbooks

"Большая перемена" (мини–сериал, 1972)

matsam

Сирийская история

kacho

Встретились с другом, дружим уже лет 15 семьями, но они

morena_morana

Содержанка по имени Олег

• Ранее
• Архив