physikchat

Es gibt einen Zusammenhang zwischen Entropie und Gravitation. Im derzeitigen Zeitpunkt der Entwicklung unseres Kosmos wird Entropie vernichtet, wenn Materie in ein schwarzes Loch stürzt. Wer weiß mehr dazu?

18 Gedanken zu „physikchat

  1. Möglicherweise gibt es einen Zusammenhang zwischen Entropie und Gravitation auch beim quantenmechanischen Messprozess. Ich vermute, dass die entscheidenden Effekte dann passieren, wenn der Schwarzschildradius von ähnlicher Größe wie die Compton Wellenlänge ist.

  2. Bei den Gegenständen des täglichen Lebens sollte nichts passieren, zum Beispiel Fahrrad, Semmel, iPhone, … (was ist sonst noch wichtig?). Sonst hätte man es längst gemerkt!

    1. ‚Gegenständen des täglichen Lebens…‘: in diesem Grenzfall
      ist die Compton Wellenlänge viel kleiner als der Schwarzschildradius. Jede beobachtbare Wirkung folgt den Maxwellgleichungen. Oder der Gravitation.
      ‚was ist sonst noch wichtig …‘: zum Beispiel Planeten, Monde, Sonnen, Galaxien, …. Auch deren Bewegung folgt der Gravitation.
      In beiden Fällen (Sonne, Planetensystem und Gegenstände des täglichen Lebens) ist eine Wechselwirkung zwischen Gravitation und Quantenmechanik irrelevant, weil die Krümmung der Raumzeit auf der Quantenskala vernachlässigbar klein ist.

    1. Die zwischen den Quarks wirkenden Kräfte sind rein quantenmechanisch. Gravitation spielt dort keine Rolle. Jedenfalls außerhalb der Singularität von schwarzen Löchern. Oder im Urknall. Um den Kollaps von Wellenfunktionen zu erklären, brauchen wir uns an dieser Stelle nicht für den Aufbau der Atomkerne zu interessieren.

  3. Im Falle, dass die Comptonwellenlänge viel größer ist als der Schwarzschildradius (zum Beispiel beim Wasserstoffatom mit dem System aus Elektron und Proton) spielt die Gravitation keine Rolle, weil die Krümmung der Raumzeit durch die beteiligten Massen auf den Skalenlängen, wo die quantenmechanischen Effekte passieren, völlig vernachlässigbar ist. In dieser Beziehung ist die Situation analog zum ersten Grenzfall.
    Jetzt aber zu dem interessanten Fall, dass die Comptonwellenlänge vergleichbar mit dem Schwarzschildradius ist. Dies gilt exakt für die Planck’sche Masse, sie ist 22 Mikrogramm:

    m_P=√(ℏc/G) ≈2,2×10^(-5) g

    Passiert in diesem Bereich der Übergang von der Quantenmechanik zur klassischen Mechanik? Die Diskussionen von Bohr mit den Gründervätern der Quantenmechanik und anderen darüber, wodurch sich ein klassisches Messgerät von einem quantenmechanischen System unterscheidet, wo ist sie relevant? Möglicherweise dort, wo die beteiligten Massen im Bereich der Planck’sche Masse liegen?
    Es bleibt zu klären, wie der quantenmechanische Messprozess durch die Krümmung der Raumzeit beeinflusst wird.

    1. Ich vermute, dass in eben diesem Bereich, wo die Krümmung der Raumzeit gegenüber den quantenmechanisch relevanten Dimensionen (Comptonwellenlänge) nicht vernachlässigbar ist, ein ‚black – hole‘ Effekt passiert. Also ein zum Verschwinden von Entropie in einem schwarzen Loch analoger, nur umgekehrter, Effekt dahingehend, dass die Gravitation einen Einfluss auf die Entropie hat. Beim quantenmechanischen Messprozess müsste dieser Effekt so wirken, dass die Entropie sich durch die Beteiligung der Gravitation erhöht (beim schwarzen Loch verschwindet ja die Entropie, wird also niedriger). Hier soweit nur Vermutungen.

  4. Bei Roger Penrose habe ich folgenden Gedanken gelesen: durch Berücksichtigung der Gravitation bekommt die symmetrische Überlagerung der Quantenzustände gegenüber der antisymmetrischen eine unterschiedliche Energie, und erhält damit eine andere Wellenlänge. Dadurch erfolgt eine Dekohärenz und letztlich der Kollaps der Wellenfunktion. Ich hoffe, dass ich Penrose richtig verstanden habe. Er hat übrigens auch etwas zu den großen kosmologischen Randpunkten, nämlich dem Beginn des Kosmos und seinem Ende, geschrieben.

      1. Aus dem Zusammenhang wird klar, was ich meine. Dann brauch ich jetzt nicht den Unterschied zwischen Kosmos und Äon definieren.
        Hier mein Vorschlag: fangen wir mit dem Ende des Kosmos an. Verfolge ich zunächst die Idee von Roger Penrose und gehe davon aus, dass nach sehr langer Zeit alle schwarzen Löcher verdampft sind. Der Kosmos besteht dann nur noch aus Strahlung und sehr dünn und weiträumig verteilter Materie, wobei die Materie nicht mehr unter wechselseitigem Gravitationseinfluss steht, weil die einzelnen Teilchen zu weit voneinander entfernt sind. Das CCC Modell von Penrose geht davon aus, dass irgendwann alle Teilchen mit nicht verschwindender Ruhemasse zerfallen sind. Dann befindet sich der Kosmos in einem Zustand, bei dem die physikalischen Gesetze auf jeder beliebigen Zeitskala gelten. Ohne Massen gibt es keine Uhren, damit keine Zeit. Also kann ich die Zeitskala beliebig wählen, zB um 140 Größenordnungen kleiner, und zwar so, dass die Physik erhalten bleibt. Bei dieser konformen Abbildung des Kosmos in sich selbst erhalte ich einen Zustand, wie er im Urknall, noch vor der Inflation, geherrscht hat. Das Ende unseres Kosmos ist gleichzeitig der Anfang eines neuen.

          1. Ich spekuliere und folge jetzt nicht der Annahme von Roger Penrose, dass die letzten Teilchen komplett zerfallen sein müssen, bevor der Neubeginn eines Äons starten kann. Nehmen wir an, dass zu irgendeinem Zeitpunkt der Kosmos nur noch aus Strahlung und sehr dünn verteilter Materie besteht, wobei die Materie keinem gravitativen Einfluss unterliegt (die Raumzeitkrümmung ist extrem klein am Ort eines jeden massiven Teilchens). Der Kosmos besteht nur noch aus ‚vereinzelter‘ Materie, also Elektronen, Protonen, Neutronen, vielleicht einfachen Molekülen. Und natürlich Neutrinos (vermutlich ‚jede Menge‘, dennoch endlich viele).
            Wäre jetzt nicht ein ‚Phasenübergang‘ möglich, der im Wesentlichen durch folgendes Geschehen gekennzeichnet ist: es werden sämtliche Längenskalen um einen riesen Faktor geändert, zum Beispiel 140 Größenordnungen. Es ist gewissermaßen eine Zusammenstauchung des gesamten Kosmos um diesen immensen Faktor.
            Das würde dazu führen, dass sich nach dieser Transformation sämtliche verbliebene Materie mit Ruhemasse > 0 in einem Zustand befindet, wo die Comptonwellenlänge wesentlich kleiner ist als der Schwarzschildradius (das müsste man mathematisch beweisen, ich vermute es in dieser Stelle nur). Wir hätten also dann einen Kosmos, der aus Strahlung besteht, sowie einer großen Zahl an schwarzen Löchern (die Zahl der schwarzen Löcher entspricht der Zahl der vorher vorhandenen Teilchen mit Ruhemasse > 0). Diese große, vielleicht riesige Anzahl (Überbleibsel der Neutrinos?!) von schwarzen Löchern, was passiert damit? Die Expansion des Kosmos setzt sich ungebremst weiter fort. Denn die Reskalierung (Renormierung) hat ja die Expansion nicht unterdrückt, sondern nur eine neue Zeitskala eingeführt. Die Expansion geht also weiter fort und damit sinkt auch die Temperatur des Kosmos kontinuierlich, so dass zu irgendeinem Zeitpunkt die vielen vorhandenen schwarzen Löcher alle verdampfen. Dieses wird recht ‚schnell‘ passieren: die Masse der schwarzen Löcher hat sicher irgendeinen endlichen, möglicherweise sogar ‚großen‘ Wert, aber vor der Skalentransformation hatte ja jedes Loch nur die Masse eines Elementarteilchens oder kleinen Moleküls. Nach einer gewissen Zeit werden alle diese ‚primordialen‘ schwarzen Löcher verdampft sein. Zu diesem Zeitpunkt besteht der Kosmos aus den ‚Verdampfungsprodukten‘ (Strahlung? / aus was besteht Hawkingstrahlung??) und der kosmischen Hintergrundstrahlung der gerade herrschenden (‚hohen‘) Temperatur. Alles befindet sich wunderbar im thermischen Gleichgewicht. Die Homogenität des Kosmos zu diesem frühen Zeitpunkt ergibt sich automatisch aus der geerbten Homogenität der dünnen weiträumigen Verteilung der letzten Massen (Neutrinos, Elektronen, Protonen, Neutronen, einfache Moleküle) vor der Skalentransformation. Weitere Inhomogenitäten wurden beim Verdampfen der primordialen schwarzen Löcher eingeebnet. Die gesamte Weiterentwicklung folgt jetzt den akzeptierten kosmologischen Modellen, wobei man eine ‚Inflationäre‘ Entwicklungsphase meines Erachtens nicht mehr braucht.

  5. ‚…wäre jetzt nicht ein ‚Phasenübergang‘ möglich, der im Wesentlichen durch folgendes Geschehen …‘

    Es muss eine Wahrscheinlichkeit dafür geben, dass sich massive Teilchen virtuell so weit nähern, dass sie kurzzeitig ein schwarzes Loch bilden. Dabei sinkt die Entropie. Da dies aber nur virtuell geschieht, ist diese Entropieabnahme sehr kurz und nicht beobachtbar. Die Bildung von winzigen schwarzen Löchern und das nachfolgende sofortige Verdampfen derselben löst jedes Entropieproblem sofort wieder.
    Dann gibt es auch eine Wahrscheinlichkeit, dass die Konstituenten vieler Teilchen dies für einen endlich langen Zeitraum gleichzeitig tun. Jedes verschwindet für sich in einem schwarzen Loch. Ich vermute, dass die Entropie dann um einen riesigen Betrag abnehmen würde. Da dies aber nur virtuell geschieht, ist auch diese Entropieabnahme nicht beobachtbar.
    Und schließlich gibt es auch eine Wahrscheinlichkeit, dass die Konstituenten aller Teilchen jedes für einen endlich langen Zeitraum gleichzeitig in einem winzigen schwarzen Loch verschwinden lässt. In diesem Moment gibt es keine Uhren mehr, der Zeitraum ist beliebig lang. Jetzt herrscht der Zustand, wie in Roger Penrose beschreibt. Ein neues Äon kann beginnen.

  6. Warum passiert ein derartiger Reskalierungsprozess nicht zu irgendeinem beliebigen Zeitpunkt der kosmologischen Entwicklung? Warum nicht gerade jetzt, zum Beispiel?

    1. Meine Vermutung: Der Grund liegt darin, dass die bereits vorhandenen schwarzen Löcher oder andere ‚große‘ Materieansammlung (Neutronensterne, Sonnen, Planeten, Asteroiden usw.) bei der Skalenkompression in vielfach (10xyz fach) schwerere schwarze Löcher transformiert würden. Ein derzeit vorhandenes schwarzes Loch (mindestens 1011 kg (primordial) oder > x Sonnenmassen) mit seiner bereits jetzt extrem niedrigen Temperatur zum Beispiel würde damit in ein schwarzes Loch transformiert, dessen Temperatur noch sehr viel niedriger liegen würde (ist meine Vermutung: man muss berechnen, wie die Temperatur eines schwarzen Lochs bei der Transformation skaliert). Dieses widerspricht ganz krass dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Außerdem würden diese schweren und kalten schwarzen Löcher nicht zu Beginn des neuen Kosmos verdampfen können, weil deren Temperatur viel niedriger als die Temperatur der Hintergrundstrahlung ist. Der Anfang unseres Kosmos wäre dann durch gewaltige Inhomogenitäten gekennzeichnet, im Widerspruch zu den Beobachtungen, zB der kosmischen Hintergrundstrahlung.

      1. Auch ich vermute, dass die Wahrscheinlichkeit dieses Phasenübergangs (also die Skalentransformation) thermodynamisch berechenbar ist. Nämlich als Wahrscheinlichkeit dafür, dass für einen gewissen kurzen Zeitraum Teilchencluster zusammenballen und die Entropie sinkt. Wenn die Cluster in schwarzen Löchern verschwinden, wäre ein Abzug überschüssiger Entropie und damit eine Renormierung möglich.

    1. Vgl. mein Beitrag vom 17.2.: Die Homogenität des neuen Äons ergibt aus der geerbten Homogenität im Endstadium seines Vorgängers, ebenso die Expansion: auch sie setzt sich fort.
      Ca. 1010 Jahre später beschreiben bewusste Lebewesen dieses Geschehen als Urknall. Und fragen sich, warum er mit extrem niedriger Entropie begann.
      Folge einer Inflation?
      Oder Folge der Renormierung und der vom vorherigen ‚Äon‘ geerbten Homogenität!

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