John Baezนักฟิสิกส์หน้านี้อธิบายถึงสิ่งที่จะเกิดขึ้นในระยะยาวต่อร่างกายที่มีขนาดไม่ใหญ่พอที่จะยุบลงในหลุมดำเช่นดาวเคราะห์อันธพาลและดาวแคระขาวโดยสันนิษฐานว่าพวกมันไม่ได้ข้ามหลุมดำที่มีอยู่ก่อนแล้ว คำตอบสั้น ๆ : พวกมันจะระเหยไปด้วยเหตุผลที่ไม่เกี่ยวข้องกับการแผ่รังสีฮอว์คิง เห็นได้ชัดว่าเป็นเพียงเรื่องทางอุณหพลศาสตร์เนื่องจากพลังงานความร้อนภายในของร่างกายทำให้เกิดอนุภาคบนพื้นผิวเป็นระยะ ๆ เพื่อรับพลังงานจลน์ที่เพียงพอเพื่อให้ได้ความเร็วในการหลบหนีและหลบหนีออกจากร่างกาย (บทความ wiki ที่นี่กล่าวถึงสิ่งนี้เรียกว่า ') นี่คือการสนทนาแบบเต็ม:
เอาล่ะตอนนี้เรามีดาวแคระดำดวงดาวนิวตรอนและหลุมดำจำนวนมากพร้อมกับอะตอมและโมเลกุลของก๊าซอนุภาคฝุ่นและแน่นอนดาวเคราะห์และ Crud อื่น ๆ ทั้งหมดใกล้เคียงกับศูนย์สัมบูรณ์
เมื่อจักรวาลขยายสิ่งเหล่านี้ในที่สุดก็แผ่ออกไปถึงจุดที่แต่ละคนอยู่คนเดียวอย่างสมบูรณ์ในพื้นที่กว้างใหญ่
แล้วจะเกิดอะไรขึ้นต่อไป
101500
ตัวอย่างเช่นทุกอย่างยกเว้นหลุมดำจะมีแนวโน้มที่จะ "sublimate" หรือ "ionize" ค่อยๆสูญเสียอะตอมหรือแม้แต่อิเล็กตรอนและโปรตอนแม้จะมีอุณหภูมิต่ำ เพื่อที่จะเจาะจงเราลองพิจารณาการไอออไนเซชันของก๊าซไฮโดรเจน - แม้ว่าการโต้แย้งนั้นกว้างกว่าทั่วไปมาก หากคุณใช้กล่องไฮโดรเจนและทำให้กล่องใหญ่ขึ้นในขณะที่รักษาอุณหภูมิไว้คงที่ในที่สุดมันจะแตกตัวเป็นไอออน สิ่งนี้เกิดขึ้นได้ไม่ว่าอุณหภูมิจะต่ำเพียงใดก็ตามหากมันไม่ได้เป็นศูนย์แน่นอน - ซึ่งเป็นสิ่งต้องห้ามตามกฎข้อที่ 3 ของอุณหพลศาสตร์
สิ่งนี้อาจดูแปลก แต่เหตุผลนั้นง่าย: ในสมดุลความร้อนสิ่งใด ๆ ก็ลดพลังงานอิสระลงได้ E - TS: พลังงานลบอุณหภูมิเท่ากับเอนโทรปี ซึ่งหมายความว่ามีการแข่งขันระหว่างที่ต้องการลดพลังงานและต้องการเพิ่มพลังงานให้สูงสุด การเพิ่มเอนโทรปีจะมีความสำคัญยิ่งขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น การลดพลังงานจะมีความสำคัญยิ่งขึ้นที่อุณหภูมิต่ำกว่า - แต่ทั้งสองอย่างมีผลกระทบตราบเท่าที่อุณหภูมิไม่เป็นศูนย์หรือไม่มีที่สิ้นสุด
[ฉันจะขัดจังหวะคำอธิบายนี้เพื่อให้ทราบว่าระบบแยกใด ๆเพียงแค่เพิ่มเอนโทรปีในระยะยาวมันไม่เป็นความจริงสำหรับระบบที่สัมผัสกับระบบโดยรอบ สมมติว่าระบบของคุณเชื่อมต่อกับคอลเลกชันขนาดใหญ่กว่าของสภาพแวดล้อม (เช่นถูกแช่อยู่ในของเหลวหรือแม้แต่ทะเลของรังสีพื้นหลังของจักรวาล) และระบบสามารถแลกเปลี่ยนพลังงานในรูปของความร้อนกับสภาพแวดล้อม (ซึ่งจะไม่เปลี่ยนแปลงอย่างเห็นคุณค่า) อุณหภูมิของสภาพแวดล้อมที่กำหนดให้สมมติฐานโดยรอบมีขนาดใหญ่กว่าระบบรอบ ๆ เป็นสิ่งที่เรียกว่าอ่างความร้อน) แต่พวกเขาไม่สามารถแลกเปลี่ยนปริมาณอื่น ๆ เช่นปริมาณ คำแถลงว่าเอนโทรปีของระบบ + สภาพแวดล้อมจะต้องขยายให้ใหญ่สุดเทียบเท่ากับคำสั่งว่าระบบเพียงอย่างเดียวจะต้องลดปริมาณที่เรียกว่า "Helmholtz free energy" ซึ่งเป็นสิ่งที่ Baez กำลังพูดถึงในย่อหน้าสุดท้าย - ดูสิ่งนี้ คำตอบหรือหน้านี้ ถ้าบังเอิญพวกเขาสามารถแลกเปลี่ยนทั้งพลังงานและปริมาตรการเพิ่มเอนโทรปีของระบบ + สภาพแวดล้อมเท่ากับการพูดว่าระบบของมันเองจะต้องลดปริมาณที่แตกต่างกันเล็กน้อยที่เรียกว่า "พลังงานอิสระกิ๊บส์" (ซึ่งเท่ากับพลังงานอิสระของเฮล์มโฮลทซ์ รวมถึงเวลาในการเปลี่ยนปริมาตร) ดู "พลังงานอิสระของ Entropy และ Gibbs" ที่นี่ ]
ลองคิดดูว่าสิ่งนี้มีความหมายอย่างไรต่อกล่องไฮโดรเจนของเรา ไฮโดรเจนไอออไนซ์มีพลังงานมากกว่าอะตอมไฮโดรเจนหรือโมเลกุล สิ่งนี้ทำให้ไฮโดรเจนต้องการเกาะติดกันในอะตอมและโมเลกุลโดยเฉพาะที่อุณหภูมิต่ำ แต่ในทางกลับกันไฮโดรเจนที่แตกตัวเป็นไอออนจะมีพลังงานมากขึ้นเนื่องจากอิเล็กตรอนและโปรตอนมีอิสระในการเดินทางมากกว่า และความแตกต่างเอนโทรปีนี้ยิ่งใหญ่ขึ้นเรื่อย ๆ เมื่อเราทำให้กล่องใหญ่ขึ้น ดังนั้นไม่ว่าอุณหภูมิจะต่ำเพียงใดตราบใดที่อุณหภูมิสูงกว่าศูนย์ไฮโดรเจนก็จะแตกตัวเป็นไอออนในที่สุดเมื่อเราขยายกล่อง
(อันที่จริงสิ่งนี้เกี่ยวข้องกับกระบวนการ "เดือด" ที่ฉันได้กล่าวไปแล้ว: เราสามารถใช้อุณหพลศาสตร์เพื่อดูว่าดาวจะเดือดจากกาแลคซีเมื่อมันเข้าสู่สมดุลความร้อนตราบเท่าที่ความหนาแน่นของกาแลคซีต่ำพอ )
อย่างไรก็ตามมีความซับซ้อน: ในจักรวาลขยายตัวอุณหภูมิไม่คงที่ - มันลดลง!
ดังนั้นคำถามก็คือผลกระทบใดที่ชนะเมื่อเอกภพขยายตัว: ความหนาแน่นลดลง (ซึ่งทำให้สสารต้องการให้แตกตัวเป็นไอออน) หรืออุณหภูมิลดลง (ซึ่งทำให้มันต้องการรวมตัวกัน)?
ในระยะสั้นนี่เป็นคำถามที่ค่อนข้างซับซ้อน แต่ในระยะยาวสิ่งต่าง ๆ อาจลดความซับซ้อน: ถ้าเอกภพกำลังขยายตัวแบบเอกซ์โปเนนเนื่องจากค่าคงตัวทางดาราศาสตร์ที่ไม่ใช่ศูนย์ความหนาแน่นของสสารจะลดลงอย่างเห็นได้ชัด แต่อุณหภูมิไม่เป็นศูนย์ มันเข้าใกล้ค่าที่ไม่ใช่ศูนย์โดยเฉพาะ! ดังนั้นทุกรูปแบบของสสารที่ทำจากโปรตอนนิวตรอนและอิเล็กตรอนในที่สุด
10−30
นี่หนาวมาก แต่ด้วยความหนาแน่นของสสารที่ต่ำพออุณหภูมินี้ก็เพียงพอที่จะทำให้เกิดไอออนในทุกรูปแบบของสสารที่ทำจากโปรตอนนิวตรอนและอิเล็กตรอนในที่สุด! แม้แต่สิ่งที่มีขนาดใหญ่อย่างดาวนิวตรอนก็ควรจะช้าและค่อย ๆ สลายไป (เปลือกของดาวนิวตรอนไม่ได้ทำจากนิวตรอน: ส่วนใหญ่ทำจากเหล็ก)