Thermodynamik und die ersten Sekunden des Universums

Guten Tag,

Ich habe wieder eine Frage, die mich ein bisschen drückt, aber ich bin sicher, dass jemand von euch mir das anschaulich erklären kann.

Das 2. Gesetz der Thermodynamik besagt bekanntlich, dass die Entropie (Unordnung) im Universum mit der Zeit ansteigt. Aber ziemlich am Anfang befand sich das Universum ja schon in einem sehr chaotischen Zustand. Alle Materie lag in einem sehr heisses Plasma vor, einem Gemisch aus freien Atomkernen, Protonen und Elektronen, mit thermischer Strahlung im Röntgenbereich. Wie also konnte sich aus dieser relativen Unordnung unser heutiges geordnetes Universum entwickeln?

Unser heutiges Universum ist vergleichsweise ungeordnet.

Am Beispiel des (expandierenden) Universums ist das schwierig zu erklären, da wir
a) keine Gleichgewichtsthermodynamik,
b) keine Gesamtenergie und entsprechend keine Energieerhaltung sowie
c) keine Entropie der Gravitationsfreiheitsgrade definieren können

Aber ein einfaches Bild mag weiterhelfen. Wir hatten zu Beginn im wesentlichen wenige, jedoch sehr energiereiche Freiheitsgrade, im Zuge der Abkühlung entstanden daraus viele zunehmend energieärmere Freiheitsgrade. Da die Entropie im wesentlichen mit der Anzahl der vorhandenen Freiheitsgrade wächst (Phasenraumvolumen) sollte klar sein, dass die zunehmende Verteilung der Energie auf immer mehr Freiheitsgrade einer Zunahme der Entropie entspricht.

M.E. ist diese Betrachtungsweise jedoch noch unzureichend verstanden, siehe (a-c)

Pollux schrieb:

Wie also konnte sich aus dieser relativen Unordnung unser heutiges geordnetes Universum entwickeln?

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Die typischen Entropie-Verständnisfallen wie ich sie verstehe:
- Steigende Entropie beschreibt eigentlich nur den Übergang in einen wahrscheinlicheren Zustand, was nicht unbedingt einen "unordentlicheren" im landläufigen Sinne bedeutet; es kommt darauf an welche Gesetze im System vorrangig gelten (z.B. Anziehung/Bindung vs. elastischer Stoß).
- "Unordnung" ist ein sehr subjektiv belasteter (und daher eigentlich unbrauchbarer) Ersatzbegriff. Im vielzitierten Milchkaffee-Beispiel könnte man z.B. auch Homogenität durchaus als "ordentlicher" empfinden als manch anderen Zustand. Unsere Auffassung von "Ordnung" sagt also nicht unbedingt etwas über die Entropie aus.
- In Systemen, wo Energie transportiert wird um bestimmte Zustände höherer "Ordnung" zu erreichen (sprich um die Entropie lokal zu senken), lässt sich in der Regel nachweisen, dass die Gesamtentropie durch den benötigten Aufwand steigt.
Beispiel: ich sortiere Büroklammern nach Farbe und gebe dabei Wärme ab, was die Entropie im Universum mehr steigen lässt als ich sie lokal mit den sortierten Büoklammern senken konnte.

Liege ich damit einigermaßen richtig?

Löschen, da Beitrag im falscher Thread gepostet

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Pollux schrieb:

Guten Tag,
Das 2. Gesetz der Thermodynamik besagt bekanntlich, dass die Entropie (Unordnung) im Universum mit der Zeit ansteigt. Aber ziemlich am Anfang befand sich das Universum ja schon in einem sehr chaotischen Zustand. Alle Materie lag in einem sehr heisses Plasma vor, einem Gemisch aus freien Atomkernen, Protonen und Elektronen, mit thermischer Strahlung im Röntgenbereich. Wie also konnte sich aus dieser relativen Unordnung unser heutiges geordnetes Universum entwickeln?

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Hallo Pollux,

welche Unordnung? So weit ich weiß, sind Planeten in Sternensystemen, Sterne in Galaxien, und Galaxien in Filamenten geordnet. Und das alles aufgrund gravitativer Bindungen.

Nach dem Urknall ist alles durcheinander geflogen, es gab nur eine unvorstellbar große Staubwolke. Die Gravitation ließ dann alles verklumpen, bis es so wurde, wie es heute ist. Das ist nichts neues. Schau dir die Doku von Stephen Hawking auf N24 an. Da wurde das vor kurzem ganz gut erklärt.

Allerdings halte ich Quatsch von neu erschaffenem Raum und Zeit beim Urknall für Blödsinn.

Hallo DerRebell,

DerRebell schrieb:

welche Unordnung? So weit ich weiß, sind Planeten in Sternensystemen, Sterne in Galaxien, und Galaxien in Filamenten geordnet. Und das alles aufgrund gravitativer Bindungen.

Nach dem Urknall ist alles durcheinander geflogen, es gab nur eine unvorstellbar große Staubwolke. Die Gravitation ließ dann alles verklumpen, bis es so wurde, wie es heute ist. Das ist nichts neues.

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Mit Unordnung ist hier nicht ganz genau das gemeint, was wir zu Hause in mühsamer, immer wiederkehrender Anstrengung nicht Überhand gewinnen lassen wollen.

In Deinem Beispiel, wie das Universum von der ‚unvorstellbar großen Staubwolke‘ in den heutigen, scheinbar ‚geordneteren Zustand‘ gekommen ist, ist noch etwas anderes gleichzeitig passiert. Die potentielle Energie dieses Staubes wurde durch die Gravitation zunächst in kinetische Energie und später, durch Stoß und Reibung des Gases und Staubes in thermische Energie umgewandelt und abgestrahlt. Dieser Umwandlungsprozess ist, nicht lokal, aber als Ganzes irreversibel, weil man die abgestrahlte thermische Energie nicht ohne zusätzliche (aber eben nicht existierende) Energie wieder so weit ‚einfangen‘ könnte, um diesen Prozess vollständig rückgängig zu machen.

Es gibt das bekannt Beispiel mit dem Aquarium, bestehend aus zwei, durch eine Trennwand geteilte Kammern. In einer Kammer nur viele schwarze Kugeln in der anderen nur viele weiße Kugeln. Man entfernt die Trennwand und mischt die Kugeln durch Umrühren. Es ist durch bloßes Umrühren nicht mehr möglich, diese Kugeln alle wieder nach schwarz und weiß zu trennen. Mit diesem sehr einfachen, auf das eigentliche Prinzip reduzierten Beispiel, wird der oben beschriebene Vorgang vom Universum, bis hin zum Allerkleinsten noch am anschaulichsten erklärt. Ohne Energie von außen (=sortieren und nicht nur Umrühren) bekommt man diese Kugeln nicht mehr getrennt. Durch die Einbahnstraße der Zunahme der Entropie (Umrühren) verläuft ein Prozess, der rein physikalisch eigentlich in beide Richtungen möglich wäre, als Einbahnstraße.

Es gibt diese Umkehr zwar auf lokaler Ebene (neben Deinem eigenen Beispiel, z.B. Entstehung von Leben) aber immer nur auf Kosten eines mehr oder minder größeren ‚Kaufpreiseses‘ in Form von zusätzlicher Entropievermehrung.

DerRebell schrieb:

Allerdings halte ich Quatsch von neu erschaffenem Raum und Zeit beim Urknall für Blödsinn.

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Kannst Du das, außer behaupten, auch begründen?

Herzliche Grüße

MAC

die Frage von Pollux erschien mir einfach, die Diskussion nun sehr kompliziert

TomS möchte ich fragen, was genau "Gravitationsfreiheitsgrade" sind. Ich kann mir darunter nichts vorstellen. Wikipedia hat auch nichts ausgespuckt.

MAC:
Das Beispiel mit dem Aquarium habe ich verstanden. Aber wieso wäre der Prozess "rein physikalisch eigentlich in beide Richtungen möglich" ? Du hast doch beschrieben, wie die Unordnung nicht wiederherzustellen ist. Es ist eine Einbahnstraße.

Was genau meinst du mit lokaler Ebene? Welches Beispiel soll ich gegeben haben? Wie stellst du dir diesen "Kaufpreis" vor? In diesem Zusammenhang verstehe ich auch das Beispiel mit den Büroklammern und der Abwärme des Sortierers nicht.

Das mit Raum und Zeit kann ich nicht begründen. Es erscheint mir eher wie ein Naturgesetz, wie ein Axiom. Beweisen kann ich es nicht. Aber wer kann schon beweisen, dass Raum und Zeit erst beim Urknall geschaffen wurden? Das erscheint mir nach meinem Verständnis der Physik einfach als Blödsinn. Beim Urknall ist eine Singularität bzw. sind mehrere Singularitäten beim zusammenprall explodiert, nachdem diese sämtliche Materie im Universum eingefangen hatten. Raum gab es immer und wird es immer geben. Zeit ebenso. Auch wenn im Raum vor dem Urknall lange Zeit nicht viel passiert ist, bedeutet das nicht, dass Raum und Zeit nicht existiert hätten.

Ich bin davon überzeugt, dass Explosion (Urknall), Expansion, und Zusammenfall ein sich ständig wiederholender Prozess sind. Etwas anderes kann ich mir gar nicht vorstellen. Wie sollte es denn auch anders sein?

Wenn du Lust und Muße hast, kannst du gerne mal in den anderen Thread hineinschauen, in dem ich gepostet habe (die letzten beiden Seiten). Da habe ich gerade heftige Kritik erhalten. Bin gespannt, was du dazu sagst:
http://astronews.com/forum/showthread.php?7150-Ausdehnung-des-Universums-Rotverschiebung-Quasar-CFHQS-J2329/page12

Beeile dich, bevor der wütende Webmaster mich kickt

Grüße

Rebell

Moin Rebell,

DerRebell schrieb:

Explosion (Urknall)

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der Urknall war keine Explosion! Mach dich doch mal schlau, BEVOR Du etwas kritisierst.

DerRebell schrieb:

Beeile dich, bevor der wütende Webmaster mich kickt

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Sehr unklug sich über den Webmaster lustig zu machen. Du kapierst offensichtlich nicht einmal was ein Forum ist und welche Rolle der Webmaster dabei einnimmt.
Stell dir vor, Du sitzt zu hause rum und plötzlich klopft es an der Tür. Du öffnest und ein Typ drängt dich zur Seite, geht an deinen Kühlschrank, bedient sich dort, geht weiter in dein Büro, macht den PC an und surft damit rum. Nebenbei macht er sich noch eine Zigarette an (wir nehmen mal an, Du seist Nichtraucher). Als Du ihn auf sein Verhalten ansprichst, blufft er dich nur an und macht sich darüber lustig, wie spiessig Du seist.

Der Webmaster hat dieses Forum gegründet und duldet uns alle hier als Gäste. Er hat einige Regeln für seine Gäste aufgestellt, die alle Gäste zu akzeptieren haben. Du tust das hier bis jetzt noch nicht. That's it!