„Śmierć cieplna” Wszechświata nie oznacza, że zrobi się bardzo gorąco
Nazwa „śmierć cieplna” brzmi jak kosmiczny pożar, ale opisuje niemal odwrotną sytuację. W scenariuszu długotrwałej ekspansji Wszechświat zmierza ku coraz większej entropii i coraz mniejszej ilości użytecznych różnic energii, z których można wykonywać pracę. Gwiazdy stopniowo zużyją paliwo, tworzenie nowych gwiazd osłabnie, a materia zostanie zamknięta głównie w długowiecznych pozostałościach. Temperatura rozrzedzonego tła będzie malała, nie rosła. „Cieplna” odnosi się do termodynamicznej równowagi i braku dostępnych gradientów, a nie do wysokiej temperatury. To jeden z możliwych dalekich finałów zgodnych z trwale ekspandującym Wszechświatem, ale szczegóły zależą od nieznanej fizyki, m.in. stabilności protonu i natury ciemnej energii.
Praca wymaga różnicy
Silnik cieplny działa dlatego, że istnieje gorące i chłodne źródło. Życie na Ziemi korzysta z ogromnego przepływu energii od gorącego Słońca do chłodniejszej przestrzeni. Ogólnie uporządkowane procesy potrzebują niskiej entropii lub dostępnego gradientu: różnicy temperatur, ciśnień, potencjałów chemicznych czy grawitacyjnych. Śmierć cieplna to graniczny stan, w którym energia nadal istnieje, ale coraz trudniej wykorzystać ją do tworzenia nowych uporządkowanych procesów, ponieważ użyteczne różnice zostały wyczerpane.
Najpierw skończy się epoka gwiazd
Gwiazdy nie będą powstawać wiecznie. Gaz jest stopniowo zużywany, zamykany w słabo oddających materię obiektach lub wyrzucany w warunki utrudniające dalsze zapadanie. Najmniejsze czerwone karły mogą świecić niewyobrażalnie długo w porównaniu z obecnym wiekiem kosmosu, ale także wyczerpią paliwo. Pozostaną białe karły, gwiazdy neutronowe, czarne dziury, planety i inne pozostałości. Nie istnieją dziś „czarne karły” — całkowicie wychłodzone białe karły — bo Wszechświat jest jeszcze o wiele za młody.
Ekspansja rozrzedza dostępne środowisko
Jeśli przyspieszenie będzie trwało, grawitacyjnie niezwiązane regiony oddalą się poza horyzont, pozostawiając lokalne wyspy materii. Wewnątrz nich bardzo powolne procesy — zderzenia, rozpady orbit, oddziaływania wielu ciał — będą przekształcać strukturę. Skale czasu stają się tak olbrzymie, że liczby znacznie przekraczają intuicję związaną z miliardami lat. Kosmologia dalekiej przyszłości jest więc w dużej mierze fizyką ekstrapolacji znanych procesów na czasy, których nie da się sprawdzić bezpośrednio.
Czarne dziury również nie muszą być wieczne
Kwantowa teoria pola w zakrzywionej czasoprzestrzeni prowadzi do promieniowania Hawkinga, przez które izolowane czarne dziury powinny bardzo powoli tracić masę. Dla czarnych dziur o masach gwiazdowych czy supermasywnych czas parowania jest astronomicznie większy od obecnego wieku Wszechświata. Jeśli opis pozostaje poprawny w tak dalekiej przyszłości, nawet te obiekty w końcu znikną. To przesuwa możliwą ewolucję ku coraz rzadszej mieszaninie lekkich cząstek i promieniowania.
Niepewna rola protonów i nowej fizyki
Niektóre wielkie teorie unifikacji przewidują rozpad protonu, ale eksperymenty dotąd go nie wykryły i znamy jedynie bardzo długie dolne granice czasu życia. Jeśli proton jest absolutnie stabilny, pozostałości materii mogą przetrwać inaczej niż w scenariuszu z rozpadem. Jeśli ciemna energia nie jest stała, również geometria dalekiej przyszłości może się zmienić. Dlatego szczegółowe „kalendarze końca Wszechświata” zawierające gigantyczne potęgi dziesięciu należy traktować jako scenariusze zależne od założeń, nie obserwacyjne prognozy z dokładną datą.
Dlaczego „zimno” może oznaczać termodynamiczną śmierć
W codziennym języku śmierć cieplna powinna kojarzyć się z przegrzaniem. W termodynamice liczy się jednak możliwość przepływu energii między stanami. Bardzo rozrzedzony, niemal jednorodny i chłodny Wszechświat może być bliższy maksymalnej entropii niż gorący, ale silnie niejednorodny układ z gwiazdami i zimną przestrzenią. Najlepsze jednozdaniowe wyjaśnienie brzmi więc: problemem nie jest brak energii, lecz brak energii w formie, z której można jeszcze uzyskać uporządkowaną pracę.
Entropia wyjaśnia nazwę lepiej niż sama temperatura
Układ może być bardzo zimny i jednocześnie bliski maksymalnej dostępnej entropii, jeśli nie ma w nim użytecznych gradientów temperatury, ciśnienia czy gęstości. Maszyna cieplna działa tylko wtedy, gdy energia może przepływać z cieplejszego obszaru do chłodniejszego i część tego przepływu można zamienić w pracę. W scenariuszu śmierci cieplnej takich różnic stopniowo ubywa. Gwiazdy wygasają, materia jest coraz bardziej rozproszona, a procesy swobodne energetycznie stają się rzadsze. To nie oznacza absolutnego „zatrzymania czasu” ani pewności, że nic nigdy się nie wydarzy. Na ekstremalnych skalach znaczenie mogą mieć rozpad cząstek, fluktuacje kwantowe i fizyka, której jeszcze nie znamy. Termin jest więc skrótem termodynamicznym dla stanu bez łatwo dostępnej energii do wykonywania pracy, a nie przepowiednią gigantycznego kosmicznego pieca.
Scenariusz zależy od praw fizyki na niewyobrażalnych skalach czasu
Prognozy dalekiej przyszłości ekstrapolują znane prawa znacznie dalej niż jakiekolwiek obserwowane dotąd okresy. Nie wiemy np. czy proton jest absolutnie stabilny, a przyszłe zachowanie ciemnej energii również nie jest rozstrzygnięte. „Śmierć cieplna” jest więc naturalnym scenariuszem dla obecnego modelu, a nie bezwarunkowo udowodnioną przepowiednią losu kosmosu.