Entropie und das Prinzip des Kleinsten Zwanges


Drei Figurinen eines Objektes


Der Zweite Hauptsatz, Unendlichkeit, Verschränkung, Zwang

Partikelresonanz

In einem abgeschlossenen System wächst mit der Zeit die Entropie

Sofern der Urknall den Beginn des Universums war, kann man beim Universum von einem abgeschlossenen System ausgehen. Der Zweite Hauptsatz (Entropiesatz) wäre dann für dessen Entwicklung gültig.
Ein "Abgeschlossen Sein"  kann man aber - wenn überhaupt - nur von "Außen" erkennen. Es hat aber noch niemand von Außen auf das Universum geschaut, weshalb wir das  "Abgeschlossen sein" im folgenden Gedankenversuch bezweifeln. Die nicht- abgeschlossene Alternative zum Urknall, zum BigBang aus dem Nichts heraus, wäre ein unendliches unbegrenztes Universum, das schon immer und für immer ´existiert´. Das scheint plausibel  - und es hat Folgen.


Zunächst einige Beispiele

  1. Diamanten gibt es. Ein Diamant bildet sich unter bestimmten Bedingungen wie Druck, Temperatur, stoffliche Umgebung. Dies geschah z.B. nahe einem Vulkanschlot.
    Kann man nun die Umgebung des entstehenden Diamanten als abgeschlossenes System betrachteten?
    Die klassische Antwort ist ´Nein´, denn indem sich der Diamant aus chaotisch verteilten Kohlenstoffatomen heraus kristallisiert, nimmt er Energie aus dem ´Außen´ auf.
    Das Wachsen des Diamants folgt dabei trotzdem dem Prinzip des Kleinsten Zwanges. Der Bildungsprozess verläuft unter den vor Ort gegebenen Bedingungen in Richtung des optimalen energetischen Niveaus - in Richtung des Zustandes mit der höheren Wahrscheinlichkeit des Bestehens (Engergieaufnahme -> Ordnung nimmt zu).
    Ändert sich die Umgebung, bleibt der Diamant zunächst stabil bis die Bedingungen für seine Stabilität so ungünstig werden, dass das Material einen nun für es günstigeren Zustand anzunehmen strebt. So verbrennt der Diamant z.B. zu CO2, wenn die Umgebung heiß genug ist und Sauerstoff enthält (Engergieabfluss -> Ordnung nimmt ab).
    In beiden Prozessen wird Energie aus Umgebung ´entnommen´oder in sie ´abgegeben´

  2. Die Kondensmilch im heißen Kaffee verteilt sich scheinbar von allein (abnehmende Ordnung) und, sofern die Umgebungsbedingungen annähernd gleich bleiben, wird sich die Milch nicht wieder von allein vom Kaffee separieren.
    Wenn wir den Milchkaffee dagegen einfrieren (Energieabfluss), wird sich das Fett der Milch vom Wassereis wieder separieren (Engergieabfluss -> Ordnung nimmt zu!).
    Wenn wir den Milchkaffee dagegen lange kochen (Energiezufuhr), wird das Wasser zu Dampf und das Fett bleibt übrig.
    Bemerkenswert: In beiden Fällen verläuft der Prozess in Richtung ´zunehmender Ordnung´, denn lediglich der Umstand, dass Energie mit der Umgebung ausgetauscht wurde ist Kriterium für den Prozesses, nicht jedoch der Anschein, dass der Prozess zu einer Zu- oder Abnahme der Ordnung führt.
    In beiden Endzuständen befindet sich das Material im Zustand des kleinsten Zwanges, also der höchsten Wahrscheinlichkeit der Existenz in der jeweiligen Systemumgebung.
  3. Ferrum - Eisen und der kleinste Zwang

    Das Element Eisen ist der Extremist in der Verkörperung des Prinzips des kleinsten Zwanges.
    Warum?
    These: Weil dessen Atome mit optimaler Konfiguration dem ´Druck´ des Vakuums widerstehen und Fe nicht zerfällt.

    Alle Elemente mit geringerer oder höherer Ordnungszahl sind weniger günstig konfiguriert, denn deren ihre Bindungsenergie ist geringer.
    Eisen (Fe) ist das Optimum im uns bekannten Universum.

    Elemente mit niedrigerer Ordnungszahl können - bei geeigneten Bedingungen - bis zu Eisen fusionieren und dabei wird Energie in die Umgebung abgegeben.
    Wenn ein Element mit höherer Ordnungszahl als Eisen entstehen soll, muss Energie aus der Umgebung ´zugeführt´ werden.
    Die Elemente mit höherer Ordnungszahl als Eisen können zerfallen und dabei wird Energie an die Umgebung abgegeben. Kernspaltung.

    Um Eisen in ein anderes Element zu wandeln, wird Energie aus der Umgebung benötigt, gleichgültig ob die Wandlung in Richtung höherer oder niedrigerer Ordnungszahl verlaufen soll.

    Bild : Bindungsenergie Eisen

    Bindungsenergie

    Bild aus: https://physikunterricht-online.de/wp-content/uploads/2016/02/Mittlere-Bindungsenergie-pro-Nukleon.jpg

  4. Luft-Wasser-Wasserdampf

    Das von Schülern so ´geliebte´ HX-Diagram steht für einen komplexeren Schwingungsprozess, der von Parametern wie Temperatur, Luftdruck und dem Wassergehalt der Luft abhängig ist. Bei Hochdruckwetter kann man häufig nicht weit sehen, weil die Luft diesig oder neblig erscheint. Das in der Luft enthaltene Wasser liegt dann in Tröpfchenform vor.
    Sinkt der Luftdruck, dann lösen sich die Tröpfchen auf, werden zu Wasserdampf und wir können -
    da Wasserdampf durchsichtig ist - sehr viel weiter sehen.
    Das Diagramm stellt den Zusammenhang des Kondensationspunktes zum Druck, dem Wassergehalt der Luft und der Temperatur dar und ist deshalb nicht so einfach zu lesen, denn Verdunstungswärme spielt auch noch eine Rolle.

    Bild aus Wikipedia


All diesen Beispielen ist gemeinsam, dass bei Veränderungen in Richtung der wahrscheinlicheren ´Ordnung´ der Materie entweder Energie aus der Umgebung akkumuliert oder an diese abgegeben wird. Den jeweiligen Bedingungen entsprechend läuft der Prozess aber immer in Richtung der höheren Wahrscheinlichkeit ab.
Der von uns als ´Ordnung´ bezeichnete Zustand spielt dabei eigentlich keine Rolle. Es ist der wahrscheinlichere Zustand, der sich im jeweiligen System durchsetzt – dem Prinzip des Kleinsten Zwanges folgend. Genau das sagt auch der Zweite Hauptsatz - nur dass er noch die Einschränkung in einem abgeschlossenen System enthält.

Aber: Wo finden wir ein wirklich abgeschlossenes System?

Die Quantenmechanik liefert genaue Prognosen bis in die 8. Stelle hinter dem Komma. Sie basiert dabei auf der Annahme, dass alles materielle miteinander in Verbindung steht und unablässig wechselseitig aufeinander einwirkt - Entanglement.
Auch unsere praktischen Erfahrungen zeigen, dass es in unserer Welt kein wirklich abgeschlossenes System gibt.
Wenn wir aber diese Einschränkung  - abgeschlossenes System - nicht setzen, dann sagt der Entropiesatz nur, dass bei Veränderungen der Umgebungsbedingungen die Richtung des Prozesses dem Prinzip des kleines Zwanges folgt, unabhängig davon ob dabei Energie aus der Umgebung aufgenommen oder in sie abgegeben wird.

Schlussfolgerung

Die These das Universum als unendlich und unbegrenzt zu sehen bedeutet, dass wir keinem Ort und keiner Raumzelle in diesem Universum ein wirkliches ´abgeschlossen Sein´ zubilligen können.

Dieses Universum wird - bildhaft gesprochen - unablässig von Energieportionen durchströmt, die aus dem Unendlichen kommend auf Materie treffen, mit dieser wechselwirken und danach von dieser ausgehend wieder und in die Unendlichkeit fließen.
Die Anwendung des Entropiesatzes auf das Geschehen an einem Ort in diesem Universum reduziert sich damit auf seine Wahrscheinlichkeitsaussage, die wiederum auf dem Prinzip des Kleinsten Zwanges beruht.
Die während des Geschehens an einem Ort von Materie aufgenommene oder abgegebene Energie spielt dann keine Rolle mehr für die Richtung der Entwicklung dieses Univerums.

Auch ist jegliches Geschehen nur als Wahrscheinlichkeit vorhersagbar, weil es von Energien (Wirks) aus dem Unendlichen beeinflusst wird und das Resultat des Geschehens wiederum als Energie in die Unendlichkeit zurück wirkt.

Das Entstehen eines Diamanten an einem Ort  ist dann prinzipiell gleich der Auflösung der Milch im Kaffee an einem andern Ort in diesem Universum. Es ist auch unwesentlich, ob dabei aus dem Unendlichen einen endlicher Betrag an Energie ´entnommen´ wird oder ein solcher in die Unendlichkeit zurück gegeben wird:  Nicht nur die Beiden, sondern alle Prozesse in solch einem Universum folgen nur dem Prinzip des Kleinsten Zwanges.

Die Wahrscheinlichkeit für die Entstehung von Leben in einem zeitlich begrenzten Urknall-Universum ist natürlich sehr viel geringer als die Wahrscheinlichkeit für Entstehung von Leben in einem räumlich und zeitlich unendlichen Universum.

Die Erkenntnis der QM, dass alle Elementarteilchen miteinander verknüpft sind, korrespondiert mit den unendlich vielen Parametern, die das Geschehen im Mikrokosmos beeinflussen. Diese Parameter stehen für die Wirkungen - den Wirks – wie Hans-Peter Dürr sie genannt hat.

Dieses Universum erscheint uns als wabernde Molluske von sich ausdehnenden Gegenden und verkleinernden Gegenden, von lokaler Ordnungszunahme in einigen Regionen und lokaler Chaos-Zunahme in anderen Regionen.
Sich lokal um einen ´mittleren´ Zustand einschwingende Prozesse erweisen sich näher betrachtet als eine Vielzahl von Nicht-Gleichgewichtsprozessen, die sich gegenseitig beeinflussen.
Der Zeitpfeil ist in diesem Universum eineindeutig. Selbst wenn wir sich gleichende Materie-Zustände wahrnehmen, sind diese nicht durch Zeitumkehr entstanden sondern immer aus unendlich vielen Parametern (Energien/Wirks) frisch ´heraus-kondensiert´.

Einen Urknall kann es in einem solchen Universum nicht geben, wie auch kein Ende von dessen Existenz in einem Wärme- oder Kältetod.


Der These entgegen steht einiges

zum Beispiel die als Echo des Urknalls betrachtete 2,7K-Hintergrundstrahlung. Diese Strahlung gibt es und sie ist gut erforscht.
Ein unendliches und ewiges Universum muss natürlich auch eine plausible Interpretation für ihr Zustandekommen liefern. In einem unendlichen Universum kann es keinen Anfang geben und damit auch kein Echo des Urknalls. Aber vielleicht ist diese 2,7k Strahlung ein Produkt des ewigen Kreislaufes und ihr Zustandekommen ein von uns nur noch nicht erkanntes Merkmal der Unendlichkeit?

Zum Informationsfeld geht´s hier, zu einem Video, das in Minute 14 die Neumannsche Interpretation der Entropie erwähnt: Die beobachteten Verschränkungen sind demnach Ergebnis von im Raum enthaltenen nichtmateriellen Informationen.


Links zu Videos mit Hans-Peter Dürr, zur Zeit, der Wirklichkeit und dem Prinzip des kleinsten Zwanges findet man noch hier.


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