Kematian panas alam semesta

Ada usul agar artikel ini digabungkan dengan Pembekuan Besar. (Diskusikan)

Kematian panas alam semesta adalah gagasan tentang nasib akhir alam semesta di mana alam semesta telah berevolusi menjadi keadaan tanpa energi bebas termodinamika dan karenanya tidak dapat lagi mempertahankan proses meningkatkan entropi. Kematian panas ini tidak menyiratkan suhu absolut tertentu; melainkan hanya mensyaratkan bahwa perbedaan suhu atau proses lain mungkin tidak lagi dieksploitasi untuk melakukan usaha. Dalam bahasa fisika, ini adalah saat alam semesta mencapai kesetimbangan termodinamika (entropi maksimum).

Jika topologi alam semesta terbuka atau datar, atau jika energi gelap sebagai konstanta kosmologis bernilai positif (keduanya konsisten dengan data saat ini), alam semesta akan terus berkembang selamanya, dan peristiwa ini diperkirakan terjadi,^[1] dengan alam semesta yang mendingin mendekati kesetimbangan pada suhu yang sangat rendah setelah periode waktu yang sangat lama.

Hipotesis ini berasal dari gagasan William Thomson, Baron Kelvin (Lord Kelvin) ke-1, yang pada tahun 1850-an mengasumsikan teori dari panas sebagai hilangnya energi mekanik di alam (sebagaimana diwujudkan dalam dua hukum termodinamika) dan mengekstrapolasi untuk proses yang lebih besar pada skala universal.

Gagasan tentang kematian akibat panas berasal dari hukum kedua termodinamika, satu versi menyatakan bahwa entropi cenderung meningkat dalam sistem yang terisolasi . Dari ini, hipotesis menyiratkan bahwa jika alam semesta berlangsung untuk waktu yang cukup, alam semesta akan mendekati keadaan di mana semua energi didistribusikan secara merata. Dengan kata lain, menurut hipotesis ini, ada kecenderungan di alam untuk terjadinya disipasi (transformasi energi) energi mekanik (gerak) menjadi energi termal; maka dari itu, dengan ekstrapolasi, ada pandangan bahwa, pada waktunya, gerakan mekanis alam semesta akan menurun ketika usaha diubah menjadi panas karena hukum kedua.

Dugaan bahwa semua benda di alam semesta mendingin, akhirnya menjadi terlalu dingin untuk mendukung kehidupan, tampaknya pertama kali dikemukakan oleh astronom Prancis Jean Sylvain Bailly pada 1777 dalam tulisannya tentang sejarah astronomi dan dalam korespondensinya dengan Voltaire. Dalam pandangan Bailly, semua planet memiliki energi panas internal dan sekarang berada pada tahap pendinginan tertentu. Jupiter, misalnya, masih terlalu panas agar kehidupan dapat muncul di sana selama ribuan tahun, sementara Bulan sudah terlalu dingin. Keadaan akhir, dalam pandangan ini, digambarkan sebagai salah satu "keseimbangan" di mana semua gerak berhenti.^[2]

Gagasan kematian panas sebagai konsekuensi dari hukum termodinamika, bagaimanapun, pertama kali diusulkan secara umum mulai tahun 1851 oleh William Thomson, yang berteori lebih lanjut tentang pandangan kehilangan energi mekanik Sadi Carnot (1824), James Joule (1843), dan Rudolf Clausius (1850). Pandangan Thomson kemudian dielaborasi secara lebih definitif selama dekade berikutnya oleh Hermann von Helmholtz dan William Rankine.^{[butuh rujukan]}

Gagasan kematian panas alam semesta berasal dari diskusi tentang penerapan hukum 1 dan 2 termodinamika pada proses universal. Secara khusus, pada tahun 1851, William Thomson menguraikan pandangan tersebut, yang didasarkan pada percobaan baru-baru ini tentang teori panas dinamis: "panas bukanlah suatu zat, tetapi bentuk dinamis dari efek mekanis, kami melihat bahwa harus ada kesetaraan antara usaha mekanik dan panas, seperti antara sebab dan akibat. " ^[3]

Pada tahun 1852, Thomson menerbitkan On a Universal Tendency in Nature to the Dissipation of Mechanical Energy, di mana ia menguraikan dasar-dasar hukum kedua termodinamika yang dirangkum dengan pandangan bahwa gerak mekanis dan energi yang digunakan untuk menciptakan gerakan itu secara alami cenderung akan menghilang atau "lari ke bawah".^[4] Ide-ide dalam karya ilmiah itu, sehubungan dengan penerapannya pada usia Matahari dan dinamika operasi universal, menarik hati orang-orang seperti William Rankine dan Hermann von Helmholtz. Mereka bertiga dikatakan telah bertukar gagasan tentang hal ini.^[5] Pada tahun 1862, Thomson menerbitkan "Pada zaman panas Matahari", sebuah artikel di mana ia menegaskan kembali keyakinan fundamentalnya pada energi yang tidak dapat dihancurkan (hukum pertama) dan disipasi energi universal (hukum kedua), yang mengarah ke difusi panas, berhentinya gerakan yang berguna (usaha), dan kehabisan energi potensial melalui alam semesta material, sambil mengklarifikasi pandangannya tentang konsekuensi bagi alam semesta secara keseluruhan. Dalam paragraf utama, Thomson menulis:

Hasilnya pasti akan menjadi keadaan istirahat dan mati universal, jika alam semesta terbatas dan dibiarkan mematuhi hukum yang ada. Tetapi tidak mungkin untuk memahami batas sejauh mana materi di alam semesta; dan karena itu, sains menunjuk pada suatu kemajuan tanpa akhir, melalui ruang tanpa akhir, dari aksi yang melibatkan transformasi energi potensial menjadi gerak yang dapat diraba dan karenanya menjadi panas, dari pada mekanisme terbatas tunggal, mengalir turun seperti jam, dan berhenti untuk selamanya.

Pada tahun berikutnya untuk mengikuti hasil penelitian Thomson 1852 dan 1865, Helmholtz dan Rankine sama-sama menghargai gagasan Thomson, tetapi membaca lebih jauh ke dalam hasil penelitiannya dengan menerbitkan pandangan yang menyatakan bahwa Thomson berpendapat bahwa alam semesta akan berakhir dengan "kematian panas" (Helmholtz) yang akan menjadi "akhir dari semua fenomena fisik" (Rankine).^[5][6]

Proposal tentang keadaan akhir alam semesta bergantung pada asumsi yang dibuat tentang nasib akhirnya, dan asumsi-asumsi ini sangat bervariasi pada akhir abad ke-20 dan awal abad ke-21. Dalam alam semesta "terbuka" atau "datar", yang dihipotesiskan terus berkembang tanpa batas, baik kematian akibat panas atau Big Rip diperkirakan akan terjadi.^[1] Jika konstanta kosmologis adalah nol, alam semesta akan mendekati suhu nol absolut dalam skala waktu yang sangat lama. Namun, jika konstanta kosmologis positif, seperti yang terlihat dalam pengamatan baru-baru ini, suhu akan menunjukkan nilai positif nol, dan alam semesta akan mendekati keadaan entropi maksimum.^[7]

Jika Big Rip tidak terjadi jauh sebelum itu, situasi "kematian panas" dapat dihindari jika ada metode atau mekanisme untuk meregenerasi atom hidrogen dari radiasi, materi gelap, energi gelap, energi titik-nol atau sumber lain sehingga pembentukan bintang dan transfer panas dapat terus terjadi untuk menghindari kehancuran bertahap alam semesta karena konversi materi menjadi energi dan unsur-unsur yang lebih berat dalam proses nukleosintesis bintang dan penyerapan materi oleh lubang hitam dan penguapan berikutnya sebagai radiasi Hawking.^[8][9]

Dari Big Bang hingga saat ini, beragam materi dan materi gelap di alam semesta diperkirakan terkonsentrasi di bintang, galaksi, dan gugusan galaksi, dan diperkirakan terus berlanjut hingga masa depan. Oleh karena itu, alam semesta tidak berada dalam kesetimbangan termodinamika, dan benda dapat melakukan pekerjaan fisik.^{[10], §VID.} Waktu peluruhan untuk lubang hitam supermasif dengan massa sekitar 1 galaksi (10¹¹ massa matahari ) karena radiasi Hawking terjadi sekitar 10¹⁰⁰   tahun,^[11] sehingga entropi dapat diproduksi sampai setidaknya pada waktu itu. Beberapa lubang hitam monster di alam semesta diprediksi akan terus tumbuh hingga berukuran mungkin 10¹⁴M_☉ selama hancurnya supergugus galaksi. Bahkan lubang-lubang ini akan menguap dalam skala waktu hingga 10¹⁰⁶ tahun.^[12] Setelah waktu itu, alam semesta memasuki apa yang disebut Era Gelap dan diperkirakan terdiri dari gas encer foton dan lepton.^{[10] §VIA} Dengan sisa materi yang sangat tesebar jauh, aktivitas di alam semesta akan berkurang secara dramatis, dengan tingkat energi yang sangat rendah dan rentang waktu yang sangat panjang. Secara spekulatif, adalah hal yang mungkin bahwa alam semesta dapat memasuki zaman inflasi kedua, atau dengan asumsi bahwa keadaan vakum saat ini adalah keadaan palsu, kekosongan dapat membusuk menjadi keadaan energi lebih rendah.^{[10] ,   §VE.} Ada juga kemungkinan bahwa produksi entropi akan berhenti dan alam semesta akan mencapai kematian panas.^{[10] ,   §VID.} Alam semesta lain mungkin dapat tercipta oleh fluktuasi kuantum acak atau penerowongan kuantum secara kasar ((10^10)^10)^56 ${\displaystyle 10^{10^{10^{56}}}}$tahun.^[13] Selama periode waktu yang luas, penurunan entropi spontan akhirnya akan terjadi melalui teorema pengulangan Poincaré, fluktuasi termal,^[14][15][16] dan teorema fluktuasi .^[17][18] Skenario seperti itu, bagaimanapun, telah digambarkan sebagai "sangat spekulatif, mungkin salah, [dan] sama sekali tidak dapat diuji".^[19] Sean M. Carroll, yang pada awalnya seorang penganjur ide ini, tidak lagi mendukungnya.^[20][21]

Max Planck menulis bahwa frasa "entropi alam semesta" tidak memiliki arti karena ia mengakui tidak ada definisi yang akurat.^[22][23] Baru-baru ini, Grandy menulis: "Agak lancang untuk berbicara tentang entropi alam semesta yang masih sangat sedikit kita pahami, dan kita bertanya-tanya bagaimana seseorang dapat mendefinisikan entropi termodinamika untuk alam semesta dan konstituen utamanya yang belum pernah berada dalam keseimbangan dalam seluruh keberadaannya." ^[24] Menurut Tisza: "Jika sebuah sistem yang terisolasi tidak berada dalam kesetimbangan, kita tidak dapat mengaitkan entropi dengannya."^[25] Buchdahl menulis: "asumsi yang sepenuhnya tidak dapat dibenarkan bahwa alam semesta dapat diperlakukan sebagai sistem termodinamika tertutup".^[26] Menurut Gallavotti: "...tidak ada gagasan entropi yang diterima secara universal untuk sistem di luar keseimbangan, bahkan ketika dalam keadaan stasioner." ^[27] Membahas pertanyaan entropi untuk keadaan non-ekuilibrium secara umum, Lieb dan Yngvason menyatakan pendapat mereka sebagai berikut: "Terlepas dari kenyataan bahwa sebagian besar fisikawan percaya pada entropi non-kalibrasi, sejauh ini terbukti mustahil untuk mendefinisikannya dengan cara yang jelas memuaskan. . " ^[28] Dalam pendapat Landsberg: "Kesalahpahaman ketiga adalah bahwa termodinamika, dan khususnya, konsep entropi, dapat tanpa penyelidikan lebih lanjut - diterapkan ke seluruh alam semesta. ...Pertanyaan-pertanyaan ini memiliki daya tarik tertentu, tetapi jawabannya adalah spekulasi, dan terletak di luar cakupan buku ini." ^[29]

Sebuah analisis baru-baru ini tentang status entropi, "Entropi dari medan gravitasi umum masih belum diketahui", dan "entropi gravitasi sulit untuk diukur". Analisis ini mempertimbangkan beberapa asumsi yang mungkin diperlukan untuk memperkirakan dan menunjukkan bahwa alam semesta teramati memiliki lebih banyak entropi daripada yang diperkirakan sebelumnya. Ini karena analisis menyimpulkan bahwa lubang hitam supermasif adalah penyumbang terbesar.^[30] Lee Smolin melangkah lebih jauh: "Sudah lama diketahui bahwa gravitasi penting untuk menjaga alam semesta dari kesetimbangan termal. Sistem yang terikat secara gravitasi memiliki panas spesifik negatif — yaitu, kecepatan komponennya meningkat ketika energinya dihilangkan. ...Sistem seperti itu tidak berevolusi menuju keadaan keseimbangan homogen. Alih-alih menjadi semakin terstruktur dan heterogen karena memecah menjadi subsistem."^[31]

Dalam permainan komputer 1995 I Have No Mouth, and I Must Scream, berdasarkan cerita pendek dengan nama yang sama, dinyatakan bahwa AM, superkomputer jahat, akan selamat dari kematian panas alam semesta dan terus menyiksa para korban abadi untuk kekekalan.

1. ^ ^{a b} Plait, Philip (2008). Death from the Skies!. Viking Adult (dipublikasikan tanggal 16 October 2008). hlm. 259. ISBN 978-0-670-01997-7. 
2. ^ Brush, Stephen G. (1996). A History of Modern Planetary Physics: Nebulous Earth. 1. Cambridge University Press. hlm. 77. ISBN 978-0-521-44171-1. 
3. ^ Thomson, Tuan William. (1851). "Pada Teori Panas Dinamis, dengan hasil numerik disimpulkan dari persamaan Joule dari Unit Thermal, dan Pengamatan M. Regnault tentang Steam" Kutipan. [§§1–14 & §§99–100], Transaksi Royal Society of Edinburgh, Maret 1851, dan Philosophical Magazine IV, 1852. [dari Mathematics and Physical Papers, vol. saya, art. XLVIII, hlm. 174]
4. ^ Thomson, Sir William (1852). "Pada Kecenderungan Universal di Alam terhadap Pembuangan Energi Mekanik" Prosiding Royal Society of Edinburgh untuk 19 April 1852, juga Majalah Philosophical, Oktober 1852. [Versi ini dari Matematika dan Fisik Makalah, vol. saya, art. 59, hlm. 511.]
5. ^ ^{a b} Smith, Crosbie; Wise, M. Norton (1989). Energy and Empire: A Biographical Study of Lord Kelvin. Cambridge University Press. hlm. 500. ISBN 978-0-521-26173-9. 
6. ^ "Physics Chronology". Diarsipkan dari versi asli tanggal 22 May 2011. 
7. ^ Dyson, Lisa; Kleban, Matthew; Susskind, Leonard (12 November 2002). "Disturbing Implications of a Cosmological Constant". Journal of High Energy Physics. 2002 (10): 011. arXiv:hep-th/0208013 . Bibcode:2002JHEP...10..011D. doi:10.1088/1126-6708/2002/10/011. 
8. ^ MacMillan, William Duncan (July 1918). "On Stellar Evolution". The Astrophysical Journal. 48: 35–49. Bibcode:1918ApJ....48...35M. doi:10.1086/142412. 
9. ^ Macmillan, William D. (31 July 1925). "Some Mathematical Aspects of Cosmology". Science. 62 (1596): 96–9. Bibcode:1925Sci....62..121M. doi:10.1126/science.62.1596.96. PMID 17752724. 
10. ^ ^{a b c d} Adams, Fred C.; Laughlin, Gregory (1997). "A dying universe: the long-term fate and evolution of astrophysical objects". Reviews of Modern Physics. 69 (2): 337–72. arXiv:astro-ph/9701131 . Bibcode:1997RvMP...69..337A. doi:10.1103/RevModPhys.69.337. 
11. ^ See in particular equation (27) in Page, Don N. (15 January 1976). "Particle emission rates from a black hole: Massless particles from an uncharged, nonrotating hole". Physical Review D. 13 (2): 198–206. Bibcode:1976PhRvD..13..198P. doi:10.1103/PhysRevD.13.198. 
12. ^ Frautschi, Steven (13 August 1982). "Entropy in an Expanding Universe" (PDF). Science. 217 (4560): 593–9. Bibcode:1982Sci...217..593F. doi:10.1126/science.217.4560.593. JSTOR 1688892. PMID 17817517. Since we have assumed a maximum scale of gravitational binding—for instance, superclusters of galaxies—black hole formation eventually comes to an end in our model, with masses of up to 10¹⁴M_☉ ... the timescale for black holes to radiate away all their energy ranges ... to 10¹⁰⁶ years for black holes of up to 10¹⁴M_☉ 
13. ^ A bot will complete this citation soon. Click here to jump the queue. MISSING LINK. . Bibcode: 2004hep.th...10270C
14. ^ Tegmark, Max (2003). "Parallel Universes". Scientific American. 288 (2003): 40–51. arXiv:astro-ph/0302131 . Bibcode:2003SciAm.288e..40T. doi:10.1038/scientificamerican0503-40. 
15. ^ Tegmark, Max (May 2003). "Parallel Universes". Scientific American. 288 (5): 40–51. arXiv:astro-ph/0302131 . Bibcode:2003SciAm.288e..40T. doi:10.1038/scientificamerican0503-40. 
16. ^ Werlang, T.; Ribeiro, G. A. P.; Rigolin, Gustavo (2013). "Interplay between quantum phase transitions and the behavior of quantum correlations at finite temperatures.org". International Journal of Modern Physics B. 27 (1n03): 1345032. arXiv:1205.1046 . Bibcode:2013IJMPB..2745032W. doi:10.1142/S021797921345032X. 
17. ^ A bot will complete this citation soon. Click here to jump the queue. MISSING LINK. . 
18. ^ Linde, Andrei (2007). "Sinks in the landscape, Boltzmann brains and the cosmological constant problem". Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. 2007 (1): 022. arXiv:hep-th/0611043 . Bibcode:2007JCAP...01..022L. doi:10.1088/1475-7516/2007/01/022. 
19. ^ Pimbblet, Kevin (3 September 2015). "The fate of the universe: heat death, Big Rip or cosmic consciousness?". The Conversation. 
20. ^ Rujukan kosong (bantuan) 
21. ^ A bot will complete this citation soon. Click here to jump the queue. MISSING LINK. . 
22. ^ Uffink, Jos (2003). "Irreversibility and the Second Law of Thermodynamics". Dalam Greven, Andreas; Warnecke, Gerald; Keller, Gerhard. Entropy (Princeton Series in Applied Mathematics). Princeton University Press. hlm. 129. ISBN 978-0-691-11338-8. The importance of Planck's Vorlesungen über Thermodynamik (Planck 1897) can hardly be [over]estimated. The book has gone through 11 editions, from 1897 until 1964, and still remains the most authoritative exposition of classical thermodynamics. 
23. ^ Planck, Max (1903). Treatise on Thermodynamics. London : Longmans, Green. hlm. 101. 
24. ^ Grandy, Walter T., Jr. (2008). Entropy and the Time Evolution of Macroscopic Systems. Oxford University Press. hlm. 151. ISBN 978-0-19-954617-6. 
25. ^ Tisza, László (1966). Generalized Thermodynamics. MIT Press. hlm. 41. ISBN 978-0-262-20010-3. 
26. ^ Buchdahl, H. A. (1966). The Concepts of Classical Thermodynamics. Cambridge University Press. hlm. 97. ISBN 978-0-521-11519-3. 
27. ^ Gallavotti, Giovanni (1999). Statistical Mechanics: A Short Treatise. Springer. hlm. 290. ISBN 978-3-540-64883-3. 
28. ^ Lieb, Elliott H.; Yngvason, Jakob (2003). "The entropy of classical thermodynamics". Dalam Greven, Andreas; Warnecke, Gerald; Keller, Gerhard. Entropy (Princeton Series in Applied Mathematics). Princeton University Press. hlm. 190. ISBN 978-0-691-11338-8. 
29. ^ Landsberg, Peter Theodore (1961). Thermodynamics with Quantum Statistical Illustrations (edisi ke-First). Interscience Publishers. hlm. 391. ISBN 978-0-470-51381-1. 
30. ^ Egan, Chas A.; Lineweaver, Charles H. (2010). "A Larger Estimate of the Entropy of the Universe". The Astrophysical Journal (dipublikasikan tanggal 3 February 2010). 710 (2): 1825–34 [1826]. arXiv:0909.3983 . Bibcode:2010ApJ...710.1825E. doi:10.1088/0004-637X/710/2/1825. 
31. ^ Smolin, Lee (2014). "Time, laws, and future of cosmology". Physics Today. 67 (3): 38–43 [42]. Bibcode:2014PhT....67c..38S. doi:10.1063/pt.3.2310.