Πέμπτη, 26 Μαΐου 2016

Οι υπερβαρέες μαύρες τρύπες φέρνουν το σύμπαν πιο κοντά στο θάνατο

Παρόλο τις αναστατώσεις που βλέπουμε συχνά στο σύμπαν – τις εκρήξεις των άστρων, τους γαλαξίες που συγκρούονται, τις μαύρες τρύπες που συρρικνώνονται – ο Κόσμος μας είναι μια εκπληκτικά ειρηνική θέση. Θεωρητικοί υπολογισμοί έχουν από καιρό δείξει ότι η εντροπία του σύμπαντος – ένα μέτρο της αταξίας του – είναι ένα μικρό κλάσμα από την ανώτατη επιτρεπόμενη ποσότητα.
 
Ένας νέος υπολογισμός της εντροπίας υποστηρίζει αυτό το γενικό αποτέλεσμα αλλά υποδεικνύει ότι το σύμπαν είναι πιο ακατάστατο από όσο οι επιστήμονες νόμιζαν – και ελαφρώς πιο κοντά στο βαθμιαίο ταξίδι του προς τον θάνατο, συμπεραίνουν δύο κοσμολόγοι της Αυστραλίας.
 
Μια ανάλυση από τον Chas Egan του Πανεπιστημίου της Καμπέρας και του Charles Lineweaver του Πανεπιστημίου στο Σύδνεϋ δείχνει ότι η συλλογική εντροπία από όλες τις υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες στα κέντρα των γαλαξιών είναι περίπου 100 φορές μεγαλύτερη από όσο είχε υπολογιστεί παλιά. Επειδή οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες έχουν τη μεγαλύτερη συμβολή στην κοσμική εντροπίας, το εύρημα αυτό υποδηλώνει ότι η εντροπία του σύμπαντος είναι περίπου 100 φορές μεγαλύτερη από τις προηγούμενες εκτιμήσεις, ανέφεραν οι ερευνητές.
Η εντροπία είναι ο αριθμός των διαφορετικών μικροσκοπικών καταστάσεων που μπορεί να έχει ένα φυσικό σύστημα, ενώ παράλληλα το σύστημα φαίνεται να είναι το ίδιο σε μεγάλη κλίμακα. Για παράδειγμα, μια ομελέτα έχει μεγαλύτερη εντροπία από ένα αυγό, επειδή υπάρχουν περισσότεροι τρόποι τα μόρια της ομελέτας να αλλάξουν διάταξη και να εξακολουθούν παράλληλα να παραμένουν ομελέτα από ο,τι ένα αυγό, σημειώνει ο κοσμολόγος Sean Carroll του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Καλιφόρνιας στην Πασαντένα.
 
Σε μια μαύρη τρύπα η εντροπία είναι πολύ μεγάλη επειδή υπάρχουν χιλιάδες τρόποι να διευθετηθεί μικροσκοπικά όλο αυτό το υλικό που έχει πέσει μέσα σε αυτήν, ενώ η μαύρη τρύπα διατηρεί τις ίδιες αριθμητικές τιμές για τις παρατηρήσιμες μακροσκοπικές ιδιότητες της – το σπιν, η μάζα και και το φορτίο της.
 
Ερευνητές που προηγουμένως είχαν υπολογίσει το κοσμικό άθροισμα της εντροπίας μιας μαύρης τρύπας, είχαν υποθέσει ότι, κατά μέσο όρο, κάθε γαλαξίας φιλοξενεί μία μαύρη τρύπα στο κέντρο του με μάζα 10 εκατομμυρίων ήλιων. Σύμφωνα με αυτήν την υπόθεση, οι ερευνητές είχαν διαπιστώσει ότι οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες συνεισφέρουν μια εντροπία περίπου 10102 joules ανά Kelvin, δηλαδή σε μονάδες που προέρχονται από την σταθερά του Boltzmann.
 
Σε αντίθεση, οι Egan και Lineweaver επικαλέστηκαν νέα δεδομένα που περιλαμβάνουν ένα πληρέστερο φάσμα των μαζών των υπερβαρέων μαύρων οπών και όχι μόνο με βάση τη μέση μάζα. “Το αποτέλεσμα ήταν ότι υπήρχε πολύ περισσότερη εντροπία από λίγες μαύρες τρύπες αλλά πολύ μεγαλύτερες, δηλαδή 1 δις ηλιακές μάζες," λέει ο Egan.
 
Ο Carroll αναφέρει ότι οι υπολογισμοί της ομάδας φαίνονται λογικοί. "Δεν βλέπω κανένα λόγο να αμφιβάλλω για τους αριθμούς τους," λέει.
 
Μια πιο αξιόπιστη εκτίμηση για την εντροπία είναι σημαντική, λέει ο Egan, επειδή για να υπάρχει η ζωή ή άλλα σύνθετα φαινόμενα, η εντροπία του σύμπαντος πρέπει να είναι μικρότερη από τη μέγιστη δυνατή τιμή. Σκεφτείτε, σημειώνει, όταν το ζεστό νερό χύνεται σε ένα μπάνιο με κρύο νερό. Αρχικά το ζεστό και το κρύο νερό είναι ξεχωριστά και το σύστημα είναι ομαλό – έχει χαμηλή εντροπία. Αλλά μόλις το ζεστό και το κρύο νερό, αναμειγνύονται, η εντροπία μεγιστοποιείται και δεν είναι δυνατή μια περαιτέρω ροή της θερμότητας.
 
Αν η εντροπία ποτέ καταλήξει στο ανώτατο επίπεδο της, αυτό θα σήμαινε το θερμικό θάνατο του σύμπαντος. Σε αυτό το σενάριο δεν μπορεί να ρέει η ενέργεια, διότι όλα θα είναι στην ίδια θερμοκρασία και έτσι η ζωής καθώς και άλλες διαδικασίες θα καταστούν αδύνατες.
 
Στην περίπτωση του σύμπαντος, λέει ο Egan, "θα θέλαμε να γνωρίζουμε [πότε και] αν η εντροπία θα φτάσει τελικά τη μέγιστη τιμή, σηματοδοτώντας έτσι το τέλος όλων των διεργασιών διασκορπισμού, συμπεριλαμβανομένης και της ζωής." Οι φυσικοί έχουν βαπτίσει τη μέγιστη εντροπία  (άρα και την υποβάθμιση της ενέργειας) σαν θερμικό θάνατο. "
 
Η νέα τιμή της εντροπίας του σύμπαντος των Egan και Lineweaver είναι ακόμα ένα δισεκατομμυριοστό του ένα δισεκατομμυριοστού της μέγιστης δυνατής εντροπίας που  έχουν υπολογίσει οι ερευνητές. Ωστόσο, η νέα τιμή "υποδηλώνει ότι το σύμπαν είναι λίγο πιο κοντά στον θερμικό θάνατο από ο,τι υπολογίστηκε στο παρελθόν," σχολιάζει ο θεωρητικός Paul Davies του Πανεπιστημίου της Αριζόνα.
 
Όμως, αν οι μαύρες τρύπες θα αυξήσουν συνολικά την εντροπία του σύμπαντος, σύμφωνα με τους νέους υπολογισμούς, δεν είναι σαφές κατά πόσον θα επισπεύσουν και τον θερμικό θάνατο του σύμπαντος. Οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες δεν συμβάλλουν και πολύ στη ροή της θερμότητας μέσα στο σύμπαν, λέει ο φυσικός Stephen Hsu στο Πανεπιστήμιο του Όρεγκον.
 
Βεβαίως είναι αλήθεια ότι αυτές οι μαύρες τρύπες εξατμίζονται αργά αργά λόγω της απελευθέρωσης της ακτινοβολίας Hawking, όπου δημιουργούνται σωματίδια κοντά στο όριο της μαύρης τρύπας. Και αυτή η ακτινοβολία θα μπορούσε να φέρει το σύμπαν πιο κοντά στο θερμικό θάνατο.
 
Ωστόσο, θα χρειαστούν περίπου 10102 χρόνια να εξατμιστεί  μια υπερβαρέα μαύρη τρύπα . "Η εντροπία στο εσωτερικό αυτών των μαύρων τρυπών είναι κλειδωμένη, πράγματι, εκεί για πάντα," λέει ο Hsu. Έτσι μπορεί να έχουμε φθάσει σε μια κατάσταση που να προσεγγίζει τον θερμικό θάνατο εδώ και καιρό, καθώς τα αστέρια εξαντλούν τα καύσιμα τους και διασπάται η ύλη τους.
 
Όμως δεν συμφωνούν όλοι ότι η υψηλότερη εντροπία στην οποία συμβάλουν οι υπερμεγέθεις μαύρες τρύπες βάζει το σύμπαν πιο κοντά στο θερμικό θάνατο. Για παράδειγμα ο θεωρητικός Ned Wright του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας λέει ότι επειδή η επιπλέον εντροπία είναι κλειδωμένη μέσα στις μαύρες τρύπες, το υπόλοιπο κομμάτι του σύμπαντος θα πρέπει να έχει χαμηλότερη εντροπία και άρα να είναι πιο μακριά από το θερμικό θάνατο του σύμπαντος. 
 
Ο νέος υπολογισμός της εντροπίας επίσης τονίζει ένα κοσμικό παζλ,, λέει ο Carroll. Η εντροπία ήταν σχετικά μικρή στις απαρχές του σύμπαντος (1088), ενώ τώρα είναι μεγαλύτερη (10104), αλλά φυσικά εξακολουθεί να απέχει πολύ από το ανώτατο όριο (10122). Καμιά γνωστή φυσική αρχή δεν μπορεί να εξηγήσει γιατί η κοσμική  εντροπία είναι τόσο χαμηλή. Αλλά είναι καλό, διότι η χαμηλή τιμή "είναι υπεύθυνη για οτιδήποτε νιώθουμε σχετικά με την κατεύθυνση της ροής του χρόνου – το σπάσιμο των αυγών, το γήρας και τον θάνατο, η θύμηση του παρελθόντος, αλλά όχι το μέλλον”, σημειώνει ο Κάρολ. “Το σύμπαν είναι απίστευτα πιο ομαλό από ό,τι μπορεί να είναι. Οι Egan και Lineweaver έχουν δείξει τελικά ότι είναι απλώς λίγο πιο άτακτο από ό,τι νομίζαμε.