Entropie - Warum das Universum dem Chaos entgegentreibt

0:00 Herzlich Willkommen zu einer neuen Folge von Schlafreise durch das Universum, deinem Podcast zum Entspannen, Loslassen und lernen. Heute nehmen wir dich mit zu einem der tiefsten Konzepte der Physik, einem Prinzip, das erklärt, warum die Zeit nur in eine Richtung fließt, warum Eiswürfel schmelzen, aber nie spontan aus Wasser entstehen und warum das Universum unaufhaltsam einen Zustand maximaler und Ordnung entgegen driftet. Wir sprechen über Entropie.

0:29 Den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik und den fundamentalen Trend des Kosmos Entropie ist ein Maß der Unordnung. Genauer gesagt, sie ist ein Maß für die Anzahl der möglichen Mikrozustände, die zu einem bestimmten Makrozustand führen. Das klingt abstrakt, aber lasst uns ein einfaches Beispiel betrachten, stell dir einen Raum vor mit 1000 Münzen, alle Kopfzeigend, also perfekt geordnet, es gibt genau einen Weg, diesen Zustand zu erreichen. Alle Münzen müssen Kopf zeigen.

1:02 Jetzt wirf alle Münzen zufällig hoch. Die Wahrscheinlichkeit, dass alle wieder Kopf zeigen, ist astronomisch klein. Weitaus wahrscheinlicher ist es, dass etwa die Hälfte Kopf und die Hälfte Zahl zeigen, also ein ungeordneter Zustand. Es gibt uns viele Kombinationen, die zu diesem gemischten Zustand führen, aber nur eine Kombination für alle Kopf, das ist Entropie.

1:27 Der geordnete Zustand hat niedrige Entropie, also weniger Möglichkeiten. Der ungeordnete Zustand hat eine hohe Entropie, viele Möglichkeiten das Universum tendiert natürlicherweise zu zuständen hoher Entropie, weil diese statistisch viel wahrscheinlicher sind. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt in einem geschlossenen System nimmt die Entropie mit der Zeit zu oder bleibt konstant, sie nimmt nie ab.

1:54 Das ist kein fundamentales Gesetz, wie die Erhaltung der Energie. Es ist ein statistisches Gesetz. Technisch gesehen könnte die Entropie abnehmen, alle Luftmoleküle in einem Raum könnten sich zufällig in einer Ecke sammeln, aber die Wahrscheinlichkeit ist so verschwindend gering, dass es praktisch nie passiert.

2:12 Dieser Trend zu höherer Entropie gibt derzeit ihre Richtung. Physikalische Grundgesetze, zum Beispiel, Newtons Gesetze, maxwells Gleichungen oder die Schrödinger Gleichung, sind Zeitumkehr symmetrisch. Sie funktionieren gleich gut vorwärts wie auch rückwärts in der Zeit, aber die Thermodynamik ist asymmetrisch Entropie definiert ein Zeitpfeil wenn du ein Video von einem zerbrochenen I siehst, das sich selbst zusammensetzt, weißt du sofort, das Video läuft rückwärts, zerbrechen sie reparieren sich eben nicht spontan.

2:46 Die Entropie eines zerbrochenen Eis, Dotter und Eiweiß verteilt Schale in Fragmenten ist höher als die eines intakten Eis. Der Übergang von niedrig zu hoch ist natürlich von hoch zu niedrig, allerdings nicht Ludwig Boltzmann Formalisierte. Diese Ideen in den 1800 70er Jahren seine berühmte Formel SK Logarithmus von W verbindet Entropie S mit der Anzahl der Mikrozustände W. Die konstante K ist die bolzmann konstante, etwa 1,38 * 10 hoch -23 Joule pro Kelvin.

3:19 Diese Gleichung ist so fundamental, dass sie auf bolzmanns Grabstein in Wien eingraviert ist. Aber Entropie ist mehr als nur in Ordnung, sie ist verknüpft mit Informationen, wenn ein System hohe Entropie hat, wissen wir wenig über seinen genauen Zustand, viele Möglichkeiten sind konsistent mit dem, was wir beobachten.

3:41 Niedriger Entropien bedeuten hohe Informationen wir können den Zustand sehr genau spezifizieren. Claude Shannon, der Begründer der Informationstheorie, erkannte in den 1940er Jahren diese Verbindung. Seine Definition von Informationen ist mathematisch identisch mit boltzmanns Entropie, das ist kein Zufall, Informationen und Entropie sind 2 Seiten derselben Medaille.

4:07 Diese Verbindung hat tiefgreifende Implikationen. Wenn du Informationen löscht, Daten von einer Festplatte entfernst, muss irgendwo im Universum Entropie zunehmen. Rolf Landauer zeigte 1961, dass das Löschen eines Bits Information mindestens kt Logarithmus 2 an Wärmeenergie erzeugt, wobei t die Temperatur darstellt.

4:30 Information ist physikalisch sie zu manipulieren hat thermodynamische Konsequenzen. Computer erzeugen Wärme nicht nur wegen ineffizienter Elektronik. Es ist fundamental jede Berechnung, die Information löscht, muss Entropie erzeugen. Das setzt theoretische Grenzen für die Effizienz von Computern, egal wie fortgeschritten die Technologie wird. Im frühen Universum war die Entropie niedrig, sehr niedrig, kurz nach dem Urknall war alles heiß, dicht und relativ homogen, das klingt nach hoher Entropie und in gewisser Hinsicht war es das auch.

5:07 Aber Gravitativ war es extrem geordnet. Materie war gleichmäßig verteilt, keine Klumpen, keine Strukturen, Gravitation bevorzugt Klumpen, Sterne, Galaxien und schwarze Löcher. Der glatte Anfangszustand hatte niedrige Gravitative Entropie. Warum war das frühere Universum so geordnet? Das ist eines der größten ungelösten Rätsel der Kosmologie.

5:33 Wenn das Universum zufällig begann, hätte es mit hoher Entropie starten sollen. Stattdessen startete es mit niedriger. Roger Penrose berechnete, dass die Wahrscheinlichkeit für einen so geordneten Anfang etwa 1 zu 10 hoch 10 hoch 123 ist, also eine unvorstellbar kleine Zahl, manche Physikerinnen und Physiker schlagen vor, dass der Urknall selbst eine Fluktuation aus einem höheren Entropiezustand war. Andere spekulieren über zyklische Kosmologien, wo Universen entstehen und vergehen. Aber wir haben keine definitive Antwort. Der niedrige Entropieanfang ist eine Randbedingung, die wir akzeptieren, ohne sie jedoch vollständig zu verstehen. Seit dem Urknall steigt die Entropie kontinuierlich, Materie Plumpt zu Sternen, Sterne

6:24 erzeugen schwere Elemente, Galaxien bilden sich, Planeten entstanden auf mindestens einem Planeten entwickelte sich leben die. All diese Strukturen, scheinbar geordnet, erhöhen tatsächlich die Gesamtentropie des Universums. Wie kann das sein? Leben ist doch hochgradig geordnet, DNA ist ein komplexes spezifisches Molekül, ein lebender Organismus ist weit vom thermischen Gleichgewicht entfernt, aber leben ist eben kein geschlossenes System, es nimmt Energie von außen auf, von der Sonne, nutzt diese Energie, um lokale Ordnung zu schaffen und gibt Wärme ab. Die Entropiezunahme der Umgebung übertrifft die Entropieabnahme im Organismus.

7:07 Die Sonne strahlt etwa 3,8 * 10 hoch 26 Watt ab. Diese Energie kommt in Form von hoch energetischen Photonen. Niedrige Entropie die Erde absorbiert diese Energie, nutzt sie für Leben und Wetter und strahlt sie als Infrarot ins all viele niederenergetische Photonen, hohe Entropie, der Nettoeffekt. Entropie steigt jeder Prozess, der Energie umwandelt, erzeugt Entropie.

7:36 Ein Verbrennungsmotor nimmt chemische Energie geordnet und wandelt sie teilweise in Bewegung um, aber ein Großteil wird als Wärme verschwendet, die Entropie steigt, dasselbe gilt für Kraftwerke, Lebewesen, Sterne und alles weitere. Sterne sind gigantische Entropie, Maschinen im Kern fusionieren sie Wasserstoff zu Helium.

7:59 Setzen Energie frei und strahlen diese ins All. Dabei wandeln sie geordnete Kernenergie in ungeordnete Photonen um am Ende ihres Lebens explodieren massive Sterne als Supernova, streuen ihre Elemente ins All, eine dramatische Entropie Zunahme schwarze Löcher haben eine überraschende Rolle in der Entropie Geschichte Jakob Beckenstein schlug 1972 vor, dass schwarze Löcher eine Entropie haben.

8:26 Proportional zur Fläche ihres Ereignishorizonts ein schwarzes Loch von einer Sonnenmasse hat eine Entropie von etwa 10 hoch 54 Joule pro Kelvin. Das ist enorm viel höher als alles andere gleicher Masse. Stephen Hawking zeigte, dass Schwarze Löcher eine Temperatur haben und Strahlung imitieren, sie sind also nicht völlig schwarz, aber ihre Temperatur ist winzig, ein schwarzes Loch von der einer Sonnenmasse hat etwa 60 nano Kelvin. Trotzdem, Sie haben Entropie und Temperatur, Sie gehorchen den Gesetzen der Thermodynamik.

9:03 Das bedeutet, schwarze Löcher sind die entropiereichsten Objekte im Universum, wenn Materie in ein schwarzes Loch fällt, steigt die Gesamtentropie massiv, am Ende könnte das Universum zu einer Ansammlung von schwarzen Löchern werden, jedes mit gigantischer Entropie, aber auch Schwarze Löcher sind nicht ewig. Durch Hawking Strahlung verdampfen Sie langsam ein schwarzes Loch.

9:29 Von einer sonnenmasse würde etwa 10 hoch 67 Jahre brauchen, um vollständig zu verdampfen, wenn es das tut, hinterlässt es eine Wolke aus niederenergetischen Photonen und Teilchen, also maximale Entropie in ferner Zukunft nach 10, hoch 100 Jahren oder mehr könnte das Universum den Wärmetod erreichen, ein Zustand maximaler Entropie. Keine Sterne mehr, keine schwarzen Löcher, nur ein gleichmäßiges, kaltes mehr aus Strahlung bei einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt, kein Temperaturgradient, keine Energie verfügbar, um Arbeit zu verrichten, das Universum wäre tot, nicht zerstört, aber im thermischen Gleichgewicht. Diese Vorstellung vom Wärmetod entstand im 19 Jahrhundert und führte zu philosophischer Angst.

10:20 Wenn das Universum unvermeidlich dem Chaos Entgegentreibt ist dann alles sinnlos. Ordnung, Struktur, leben, alles temporär, aber es gibt eine andere Perspektive. Wir leben in einer speziellen Epoche, das Universum ist weder am Anfang niedrige Entropie, keine Struktur noch am Ende hohe Entropie, keine Struktur, wir leben in der Mitte, wo Entropie steigt, aber noch nicht maximal ist.

10:48 Diese Zwischenphase ist es, wo wirklich interessante Dinge passieren. Sterne leuchten, Galaxien drehen sich und auch Leben entwickelt sich, Komplexität entsteht am Rand zwischen Ordnung und Chaos, zu viel Ordnung, alles starr, nichts ändert sich, zu viel Chaos, keine Strukturen können bestehen dazwischen, genau da sind wir, können Strukturen entstehen, wachsen und sich entwickeln.

11:15 Leben selbst ist ein Beispiel für solche Randkomplexität es nutzt Energie, um lokale Ordnung zu erzeugen, während es die Gesamtentropie erhöht. Es ist wie ein Surfer auf der Welle der steigenden Entropie mitgetragen, aber nicht überwältigt. Manche Forscherinnen und Forscher schlagen vor, dass Leben fast unvermeidlich ist, gegeben die richtigen Bedingungen, wenn Energie durch ein System fließt wie Sonnenlicht durch die Erde.

11:42 Tendiert das System dazu, sich selbst zu organisieren, um diese Energie effizienter zu diszipieren leben könnte ein Weg sein, wie das Universum Entropie schneller erhöht. Diese Idee ist umstritten, aber faszinierend, sie suggeriert das Leben kein Zufall ist, sondern eine natürliche Konsequenz thermodynamischer Gesetze das Universum erzeugt leben, um den zweiten Hauptsatz zu gehorchen. Entropie erklärt auch, warum mischen leicht ist und Entmischen schwerer, wenn du Milch in den Kaffee gießt, vermischen sie sich die Entropie, steigt die Milch spontan wieder herauszufiltern, das würde die Entropie verringern, möglich im Prinzip, aber statistisch so unwahrscheinlich, dass es nie passiert. Dasselbe Prinzip gilt für alles

12:28 Gebäude zerfallen zu Ruinen, nie bauen sich Ruinen spontan zu Gebäuden, Bücher werden alt und brüchig. Nie reparieren Sie sich selbst. Organismen altern und sterben Entropie in ihren Zellen akkumuliert. Aber hier auf der Erde können wir Entropie lokal verringern. Wir bauen Gebäude, organisieren Informationen, schaffen Kunstwerke wie indem wir Energie nutzen, wir essen, atmen, arbeiten, dabei erhöhen wir die Entropie unserer Umgebung mehr, als wir sie selbst verringern. Wir sind thermodynamische Systeme, die auf Kosten der Umwelt Ordnung schaffen.

13:09 Das ist weder böse noch falsch, es ist die Natur des Lebens, aber es zeigt unsere Abhängigkeit, wir brauchen kontinuierlichen Energiefluss. Auf der Erde kommt dieser von der Sonne, wenn die Sonne erlischt, in etwa 5 Milliarden Jahren wird dieser Energiefluss enden, leben auf der Erde wird aufhören, die Entropie wird weiter steigen, aber ohne Leben, um komplexe Strukturen zu erzeugen.

13:33 Das Universum ist also auf einem einseitigen Weg vom geordneten Anfang zum chaotischen Ende. Dieser Weg ist lang, Billionen von Billionen von Jahren, aber die Richtung, die ist unvermeidlich, das ist der Preis der Zeit, das ist die Zeit, die eine Richtung hat, und das bedeutet, dass Dinge enden, aber in dieser Zwischenphase, unsere aktuelle Epoche, gibt es Schönheit, die steigende Entropie ist nicht Feind, sondern ermöglicher. Sie erlaubt Veränderungen, Evolution und Erfahrung, ohne den zweiten Hauptsatz gäbe es keine Geschichten, keine Erinnerungen und keine Bedeutung, alles wäre statisch, reversibel, zeitlos hier auf der Erde, in diesem speziellen Moment der kosmischen Geschichte existieren wir ein Planet der Entropie nutzt, um Leben zu

14:23 schaffen, eine Biosphäre, die seit Milliarden Jahren den Energiefluss der Sonne in komplexe Ökosysteme umwandelt. Diese Balance ist zerbrechlich, wenn wir die Energieflüsse zu sehr stören, klimaerwärmen Ökosysteme zerstören, könnten wir die Bedingungen zerstören, die Leben ermöglichen. Die Entropie wird weiter steigen, egal was wir tun, aber ob sie in einer lebendigen oder einer toten Welt steigt, das können wir beeinflussen. Das Universum treibt den Chaos entgegen, aber hier jetzt haben wir einen Moment der Ordnung, der Komplexität, des Lebens, dieser Moment ist kostbar, das.

15:00 Nicht ewig, aber real, ihn zu schützen, zu bewahren, zu feiern, das ist unsere Möglichkeit und unsere Verantwortung. Während die Entropie des Universums unaufhaltsam steigt, danke ich dir für das Zuhören dieser Folge, lass uns gerne eine Bewertung da, damit wir weiterhin solche Podcast folgen produzieren können.