Termodynamikkens andre hovedsetning

Konseptet om entropi ble introdusert for å forklare retningen til ulike prosesser som finner sted i den naturlige verden. Entropi er et mål på hvor jevnt energi fordeles i et system. For eksempel strømmer varme alltid fra et legeme med høyere temperatur eller energi (lav entropi), til et legeme med lavere temperatur eller energi (høy entropi). Her følger en illustrasjon med en gassbeholder:

Anta en gassbeholder har to deler og at gassen er samlet i den ene delen av beholderen. Når partisjonen mellom de to delene fjernes, vil gassen i den ene enden av beholderen spre seg til hele beholderen. Den går fra en tilstand med lav entropi (høyere temperatur eller energi), til høy entropi (lavere temperatur eller energi).

I henhold til termodynamikkens andre hovedsetning, er det derfor slik at prosesser i et lukket system beveger seg mot høyere entropi, idet deres energi brukes.

Ved å anvende termodynamikkens andre hovedsetning på universet, vil vi konkludere med at det må ha begynt å eksistere. Da universet er et lukket system, vil det med nok tid lide en kuldedød, eller termodynamisk likevekt ifølge hovedsetningen. Når systemer er i en termodynamisk likevekt kan de ikke overføre energi. Dette er fordi entropi kun kan øke over tid. Siden universet fortsetter å utvide seg vil det basert på termodynamikkens andre hovedsetning til slutt ende opp kaldt og dødt. Altså vil alle varme elementer i universet overføre sin varme til kaldere elementer inntil alt til slutt vil ha en lik og kald temperatur. Men dette reiser et spørsmål: Hvis universet aldri begynte å eksistere, vil det innebære at universet har eksistert i en uendelig mengde tid. Hvis dette er sant, hvorfor er ikke universet allerede i en kuldedød tilstand? Dette tyder sterkt på at universet må ha hatt en begynnelse. Hvis det ikke hadde det, ville det innebære at det har eksistert i uendelig tid, som ville bety at det allerede burde ha lidd kuldedøden. Siden det ikke har lidd kuldedøden, tyder det meget sterkt på at universet ikke er uendelig, som betyr at det begynte å eksistere.

Det absurde med en uendelig historie av tidligere hendelser

Noen filosofer, som Bertrand Russell, hevdet at universet er evig, som betyr at det ikke har noen begynnelse og at det aldri vil ta slutt. Om vi tenker litt over dette, vil vi konkludere med at dette standpunktet er irrasjonelt. Om universet aldri hadde en begynnelse, må det være en uendelig historie med tidligere hendelser som må ha forekommet for at du skal kunne eksistere. Det er fordi for at du skal eksistere, må din mor eksistere. For at din mor skal eksistere må hennes mor eksistere, og slik går det bakover. Om du fjerner én person i kjeden, stopper det der. Du kan for eksempel ikke eksistere hvis din oldemor ikke eksisterte. Å si at universet alltid har eksistert, vil innebære at det er forekommet en uendelig rekke av hendelser som din eksistens er avhengig av. Det er ikke mulig, for hadde det vært en uendelig kjede med hendelser som din eksistens var avhengig av, ville du aldri ha kommet til eksistens. Det faktum at du eksisterer, nødvendiggjør at det ikke kan være en uendelig rekke bak deg som din eksistens er avhengig av. Rekken må begynne et sted, for ellers kommer aldri din tur til å bli født. Det at du allerede er født, betyr at rekken ikke er uendelig bakover, med andre ord; universet kan ikke være evig.

Astrofysiske bevis

Big Bang er den rådende teorien innen kosmologi. Den ble først utformet ved hjelp av observasjoner foretatt av den amerikanske astronomen Edwin Hubble. Mens Hubble forsøkte å forstå universets størrelse, observerte han enorme lysende stjerner kalt kefeidevariabler, og la merke til noe spesielt. Han observerte at noen av disse stjernene var lenger unna enn først antatt, og at fargen deres ble noe endret, forskjøvet mot den røde enden av det elektromagnetiske spekteret, nå kjent som rødforskyvning. Fra Hubbles observasjon ble vi i stand til å konkludere at alt ser ut til å bevege seg fra hverandre. Med andre ord er universet stadig ekspanderende. Med tiden fortsetter universet å utvide seg, men hvis tid reverseres, er teorien at alt begynner å koalesere og komme sammen. Sammen med oppdagelsen av kosmisk mikrobølgebakgrunnsstråling, som er strålingen som jevnlig fyller det observerbare universet, ble ideen om Big Bang født. Med andre ord begynte universet ved en kataklysmisk hendelse som skapte rom-tid, og all materie i universet. Fysikeren P. C. W. Davies forklarer:

«Hvis vi utleder denne forutsigelsen til det ekstreme, vil vi nå et punkt hvor all avstand i universet har krympet til null. En begynnende kosmologisk singularitet, former derfor et tidligere tidsmessig ytterpunkt til universet. Vi kan ikke videreføre et fysisk resonnement, eller i det hele tatt konseptet om rom-tid, gjennom et slikt ytterpunkt. På grunn av dette ser de fleste kosmologer på den begynnende singulariteten som universets begynnelse. Fra dette synet representerer Big Bang selve skapelsen; ikke bare skapelsen av materie og energi i universet, men også av selve rom-tid.»^[1]

Selv om vår forståelse av hva som hendte 10^-43 sekunder etter Big Bang er svært spekulativ, sår astrofysikere liten tvil om at dette universet vi lever i er resultatet av veksten og ekspanderingen av rom-tid, som hendte for omtrent 14 milliarder år siden. John Gribbin, astrofysiker ved Cambridge-universitet, oppsummerer viktigheten av Big Bangs kosmologi:

«... århundrets oppdagelse, i hvert fall innen kosmologi, var uten tvil den dramatiske oppdagelsen gjort av Hubble, og bekreftet av Einsteins likninger, at universet ikke er evig, statisk og uforanderlig.»^[2]

Big Bang-modellen beskriver dermed vårt univers med en begynnelse, som startet for en begrenset tid siden. En av verdens ledende kosmologiske teoretikere, Alex Vilenkin, skriver:

«Det sies at et argument er det som overbeviser fornuftige menn, og et bevis er det som skal til for å overbevise til og med en ufornuftig mann. Med beviset nå på plass, kan ikke lenger kosmologer gjemme seg bak muligheten for et univers som alltid har eksistert. Det finnes ingen utvei, de må møte problemene ved en kosmisk begynnelse.»^[3]

Andre modeller har blitt foreslått for å forsøke å bortforklare de opplagte metafysiske spørsmålene som dukker opp ved et begrenset univers. Et eksempel er P. C. W. Davies’ spørsmål:

«Hva forårsaket Big Bang? [...] Man kan vurdere en overnaturlig kraft, en påvirkning hinsides rom og tid, som er ansvarlig for Big Bang, eller man kan foretrekke å anse Big Bang som en hendelse uten en årsak. For meg ser det ut til at vi ikke har mye valg. Enten [...] noe hinsides den fysiske verden [...] eller [...] en hendelse uten årsak.»^[4]

Disse modellene inkluderer de oscillerende- og vakuumfluktuasjonsmodellene. Likevel har disse modellene fortsatt prinsipper som krever en begynnelse på universet. Med andre ord er de ikke uendelig forlengbare inn i fortiden. Ta den oscillerende modellen som et eksempel. Denne modellen hevder at om gravitasjonskreftene av massen av universet var i stand til å overgå sin ekspansjonskraft, kunne ekspansjonen blitt endret til en kosmisk motsetning, eller Big Crunch, og deretter inn i en ny ekspansjon, i en prosess som fortsetter i det uendelige. Det er imidlertid noen problemer med denne modellen:

1. For det første er det ikke noe tilgjengelig i moderne fysikk som ville tillatt et kollapsende univers å vende tilbake til et nytt ekspanderende univers.
   
   
2. For det andre har universets gjennomsnittlige massetetthet – utledet av observerbare bevis – vist at det ikke er nok å utvikle den nødvendige gravitasjonskraften for å stoppe og reversere ekspansjonen av universet.
   
   
3. For det tredje innebærer termodynamikkens andre hovedsetning (som omtalt ovenfor) universets begrensning. Ifølge oscillasjonsmodellen, er entropien bevart fra syklus til syklus i de ulike oscillasjonene av ekspansjon, knusing og ekspansjon. Dette genererer større og lengre oscilleringer. Modellens termodynamiske egenskap innebærer en begynnelse, da universet vi lever i ikke har lidd en kuldedød, eller termodynamisk likevekt.

Konklusjon

Fordi universet er et lukket system, ville det ifølge termodynamikkens andre hovedsetning ha lidd en kuldedød, eller termodynamisk likevekt, dersom det ikke hadde hatt en begynnelse. Om universet aldri hadde en begynnelse, må det ha vært en uendelig historie med tidligere hendelser som din eksistens er avhengig av, noe som ikke er mulig. I tillegg bekrefter astrofysikken at universet må ha hatt en begynnelse. Alt i alt er bevisene for universets opphav overveldende, og det er ikke noe å sette tvil ved. Den beste forklaringen på universets begynnelse er at Gud skapte det. Om du har tvil ved Guds eksistens, les «Finnes det en Gud?», deretter «Hvordan forstår vi Gud?», om du har lest disse artiklene allerede, gå videre til «Hva er meningen med livet?»

^[1] Paul Charles William Davies, «Spacetime Singularities in Cosmology,» The Study of Time III, red. Julius Thomas Fraser (Berlin: Springer Verlag, 1978) 78-9.

^[2] John Gribbin, In the Beginning: The Birth of the Living Universe (Boston: Little, Brown and Company, 1993) 19.

^[3] Alex Vilenkin, Many Worlds in One: The Search for Other Universes (New York: Hill and Wang, 2006) 176.

^[4] Paul Charles William Davies, «The Birth of the Cosmos,» God, Cosmos, Nature and Creativity, red. Jill Gready (Edinburgh: Scottish Academic Press, 1995) 8-9.