Trang này của nhà vật lý John Baez giải thích điều gì sẽ xảy ra trong thời gian dài đối với các cơ thể không đủ lớn để sụp đổ thành các hố đen, như các hành tinh lừa đảo và sao lùn trắng, cho rằng chúng không băng qua những con đường có lỗ đen từ trước và bị hấp thụ. Câu trả lời ngắn: chúng sẽ bốc hơi, vì những lý do không liên quan đến bức xạ Hawking. Đây rõ ràng chỉ là một vấn đề nhiệt động, có lẽ là do năng lượng nhiệt bên trong cơ thể định kỳ khiến các hạt trên bề mặt ngẫu nhiên có đủ động năng để đạt được vận tốc thoát và thoát khỏi cơ thể (bài viết wiki ở đây đề cập đến điều này được gọi là 'Quần jean thoát ra '). Đây là cuộc thảo luận đầy đủ:
Được rồi, vì vậy bây giờ chúng ta có một loạt các sao lùn đen, sao neutron và lỗ đen bị cô lập cùng với các nguyên tử và phân tử khí, hạt bụi, và tất nhiên là các hành tinh và các mảnh khác, tất cả đều rất gần với độ không tuyệt đối.
Khi vũ trụ mở rộng những điều này cuối cùng lan rộng đến mức mỗi người hoàn toàn đơn độc trong không gian rộng lớn.
Vậy chuyện gì xảy ra tiếp theo?
101500
Ví dụ, mọi thứ ngoại trừ các lỗ đen sẽ có xu hướng "thăng hoa" hoặc "ion hóa", dần dần mất các nguyên tử hoặc thậm chí là các electron và proton, mặc dù nhiệt độ thấp. Để cụ thể, chúng ta hãy xem xét sự ion hóa khí hydro - mặc dù lập luận này tổng quát hơn nhiều. Nếu bạn lấy một hộp hydro và tiếp tục làm cho hộp lớn hơn trong khi giữ nhiệt độ của nó cố định, cuối cùng nó sẽ bị ion hóa. Điều này xảy ra cho dù nhiệt độ thấp đến mức nào, miễn là nó không chính xác bằng không - hoàn toàn bị cấm bởi định luật nhiệt động lực học thứ 3.
Điều này có vẻ kỳ lạ, nhưng lý do rất đơn giản: ở trạng thái cân bằng nhiệt, bất kỳ loại vật chất nào đều giảm thiểu năng lượng tự do của nó, E - TS: năng lượng trừ đi nhiệt độ nhân với nhiệt độ. Điều này có nghĩa là có một sự cạnh tranh giữa muốn giảm thiểu năng lượng của nó và muốn tối đa hóa entropy của nó. Tối đa hóa entropy trở nên quan trọng hơn ở nhiệt độ cao hơn; giảm thiểu năng lượng trở nên quan trọng hơn ở nhiệt độ thấp hơn - nhưng cả hai tác động đều quan trọng miễn là nhiệt độ không bằng 0 hoặc vô hạn.
[Tôi sẽ làm gián đoạn lời giải thích này để lưu ý rằng bất kỳ hệ thống hoàn toàn bị cô lập nào chỉ tối đa hóa entropy của nó trong thời gian dài, điều này không đúng với một hệ thống tiếp xúc với một số hệ thống xung quanh. Giả sử hệ thống của bạn được kết nối với bộ sưu tập môi trường xung quanh lớn hơn nhiều (như được ngâm trong chất lỏng hoặc thậm chí là biển bức xạ nền vũ trụ), và hệ thống có thể trao đổi năng lượng dưới dạng nhiệt với môi trường xung quanh (sẽ không thay đổi đáng kể Nhiệt độ của môi trường xung quanh với giả định môi trường xung quanh lớn hơn nhiều so với hệ thống, môi trường xung quanh được gọi là hồ chứa nhiệt), nhưng họ không thể giao dịch số lượng khác như khối lượng. Sau đó, tuyên bố rằng tổng số entropy của hệ thống + môi trường xung quanh phải được tối đa hóa tương đương với tuyên bố rằng một mình hệ thống phải giảm thiểu một lượng gọi là "năng lượng tự do Helmholtz", đó là những gì Baez đang nói về đoạn cuối đó - xem điều này Trả lời hoặc trang này . Và thật tình cờ, nếu họ có thể giao dịch cả năng lượng và khối lượng, tối đa hóa tổng số entropy của hệ thống + môi trường xung quanh thì tương đương với việc nói rằng hệ thống phải tự giảm thiểu một lượng hơi khác gọi là "năng lượng tự do Gibbs" (bằng năng lượng tự do Helmholtz cộng với thời gian áp suất thay đổi về âm lượng), xem "Năng lượng tự do Entropy và Gibbs" tại đây .]
Hãy suy nghĩ về những gì nó có nghĩa cho hộp hydro của chúng tôi. Một mặt, hydro bị ion hóa có nhiều năng lượng hơn các nguyên tử hoặc phân tử hydro. Điều này làm cho hydro muốn dính vào nhau trong các nguyên tử và phân tử, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp. Nhưng mặt khác, hydro bị ion hóa có nhiều entropy hơn, vì các electron và proton tự do di chuyển hơn. Và sự khác biệt entropy này ngày càng lớn hơn khi chúng ta làm cho hộp lớn hơn. Vì vậy, cho dù nhiệt độ thấp đến mức nào, miễn là trên 0, hydro cuối cùng sẽ bị ion hóa khi chúng ta tiếp tục mở rộng hộp.
(Trên thực tế, điều này có liên quan đến quá trình "sôi" mà tôi đã đề cập: chúng ta có thể sử dụng nhiệt động lực học để thấy rằng các ngôi sao sẽ sôi lên khỏi các thiên hà khi chúng tiến đến trạng thái cân bằng nhiệt, miễn là mật độ của các thiên hà đủ thấp. )
Tuy nhiên, có một sự phức tạp: trong vũ trụ giãn nở, nhiệt độ không đổi - nó giảm xuống!
Vì vậy, câu hỏi là, hiệu ứng nào chiến thắng khi vũ trụ giãn nở: mật độ giảm (khiến vật chất muốn ion hóa) hoặc nhiệt độ giảm (khiến nó muốn dính lại với nhau)?
Trong ngắn hạn, đây là một câu hỏi khá phức tạp, nhưng về lâu dài, mọi thứ có thể đơn giản hóa: nếu vũ trụ đang giãn nở theo cấp số nhân nhờ hằng số vũ trụ khác không, mật độ vật chất rõ ràng bằng không. Nhưng nhiệt độ không về không. Nó tiếp cận một giá trị khác không! Vì vậy, tất cả các dạng vật chất được tạo ra từ các proton, neutron và electron cuối cùng sẽ bị ion hóa!
10−30
Điều này rất lạnh, nhưng với mật độ vật chất đủ thấp, nhiệt độ này đủ để cuối cùng làm ion hóa tất cả các dạng vật chất làm từ proton, neutron và electron! Ngay cả một cái gì đó lớn như một ngôi sao neutron cũng nên từ từ tan biến. (Lớp vỏ của một ngôi sao neutron không được làm từ neutronium: nó chủ yếu được làm từ sắt.)