Reader - Studium Generale

toe? In een heelal zonder grenzen gaat de expansie niet gepaard met een druk op de wand, waardoor
mechanische arbeid geleverd wordt die aan het fotonengas onttrokken wordt. In een heelal dat
homogeen en isotroop is, is het gravitatieveld gemiddeld constant zodat de fotonen ook niet tegen een
gravitatie-potentiaal moeten opklimmen. Het is mogelijk dat de eerste wet, die gedefinieerd is voor
begrensde en gesloten systemen, haar betekenis verliest wanneer zij wordt toegepast op het universum.
5.3.9.2. Homogene straling
Wanneer de zwaartekracht geen rol speelt (zoals voor kleine massa's), heeft een gas de spontane
neiging te expanderen en de beschikbare ruimte homogeen te vullen. Gasmoleculen in een vat blijven
niet bij elkaar in een beperkt deel van de ruimte liggen, maar verspreiden zich over het hele volume van
het vat. De homogene verdeling van het gas over de ruimte is de toestand van maximale
waarschijnlijkheid en dus van maximale entropie.
Wanneer de zwaartekracht wel een rol speelt (zoals op kosmische schaal het geval is), trekt zij het gas
samen waardoor het de ruimte niet homogeen zal vullen maar zich integendeel samentrekt en zich op
één plaats concentreert. Een ophoping van massa als gevolg van gravitationele contractie is een
waarschijnlijker toestand dan een homogene verspreiding, en gaat dus gepaard met een hogere entropie.
In de newtoniaanse gravitatie-theorie bestaat er geen maximale contractie (en dus geen toestand van
maximale entropie) omdat de samentrekking in principe eindeloos kan doorgaan. In de algemene
relativiteitstheorie van Einstein kan men aantonen dat een zwart gaat de toestand van maximale entropie
is. Waar zwaartekracht domineert, is de meest waarschijnlijke toestand dus niet die van een homogene
verspreiding van de materie, maar wel die van locale concentratie.
De microgolfachtergrondstraling die we opvangen uit het jonge heelal, heeft over de hele hemel een
gelijkmatige intensiteit. Op erg kleine fluctuaties na heeft deze straling in alle richtingen dezelfde
helderheid. Deze gelijkmatige intensiteit wijst op een homogene verdeling van materie en straling in het
jonge heelal.
De straling die we nu opvangen, is afkomstig van het moment van 'laatste verstrooiing', het moment
waarop straling en materie in het expanderende en afkoelende heelal ontkoppelden. Dat gebeurde zo'n
300.000 jaar na de Big Bang. De waarneming van deze straling leert zo dat straling en materie in dat
prille tijdperk uit de kosmische geschiedenis zeer gelijkmatig in de ruimte waren, ondanks de
dominerende zwaartekracht. Deze toestand was er dus een van extreem lage entropie.
Dat betekent dat het jonge heelal zich in een zeer onwaarschijnlijke toestand bevond, waardoor in de
verdere geschiedenis van het heelal de entropie voortdurend stijgt. Dit is wat de tweede wet voorschrijft,
en wat Boltzmann uitlegt, maar de vraag blijft hoe de begintoestand zo extreem onwaarschijnlijk kan zijn.
Voor Boltzmann is het heelal, althans ons deel ervan, inderdaad een zeer onwaarschijnlijke, maar vroeg
of laat te verwachten statistische fluctuatie van een veel groter geheel. Geeft deze interpretatie een
aannemelijke uitleg? En hoe komt het dan, dat het jonge heelal zich klaarblijkelijk toch al in een toestand
van thermisch evenwicht bevond, zoals het spectrum van de achtergrondstraling laat zien?
Samengevat. De microgolfachtergrondstraling toont twee contrasterende eigenschappen van het jonge
heelal. De verdeling van de stralingsintensiteit over de golflengten toont een heelal in thermodynamisch
evenwicht en dus met een zeer hoge entropie. De verdeling van de stralingsintensiteit in de ruimte toont
een homogeen gevuld heelal met een zeer lage entropie.
Een toestand van hoge entropie is a priori waarschijnlijk en hoeft dus op zichzelf niet te verbazen. De
toestand van lage entropie vraagt wel om een verklaring. Voorlopig is er echter geen bevredigende uitleg.
Maar juist deze onbegrepen lage entropie, verklaart de twee wet van de thermodynamica die alle
gebeurtenissen beheerst die zich binnen het heelal afspelen.
Bibliografie
Veel van de teksten uit de 19de eeuw, waaruit hier geciteerd werd, zijn integraal te vinden op het internet,
via sites als "archive.org", "books.google.co.uk", "scholar.google.nl", en andere.
Bodifee, Hoe wankel is de wereld? 2013 64