Тепловая смерть Вселенной как физическая гипотеза

Тепловая смерть Вселенной

Тепловая смерть Вселенной как физическая гипотеза

Второй закон (начало) термодинамики говорит о том, что внутренняя энергия тепла (теплота) не может самостоятельно переходить от менее нагретого объекта к более нагретому объекту.

Появление теории в 19 веке

Рудольф Клаузис

В результате Второго закона термодинамики любая физическая система, не обменивающаяся энергией с другими системами, стремится к самому вероятному состоянию равновесия — к состоянию с наибольшей энтропией (величина характеризующая степень неупорядоченности и теплового состояния физической системы).

Этот закон впервые был описан Сади Карно в 1824 году. Как следствие этого, уже в 1852 году Уильям Кельвин предложил гипотезу о грядущей в будущем “тепловой смерти Земли“ в ходе процесса остывания нашей планеты до безжизненного состояния.

В 1865 году Рудольф Клаузиус распространил эту гипотезу уже на всю Вселенную.

В 1872 году австрийский физик Людвиг Больцман попытался количественно оценить энтропию с помощью формулы S = k * ln W (где, S — энтропия, k — константа Больцмана, W — количество микросостояний, реализующих макросостояние. Микросостояние — это состояние отдельной составляющей системы, а макросостояние — состояние системы в целом.

Наглядно об энтропии

В настоящее время энтропия видимой части нашей Вселенной оценивается примерно в 1088 или 10 октовигинтиллионов. Это значение примерно соответствует числу фотонов в нашей Вселенной, для сравнения число фотонов во Вселенной примерно в миллиард раз превышает число барионов (обычных элементарных частей состоящих из нескольких кварков – протонов, нейтронов, и т.д.).

Развитие теории в 20 веке

Открытие расширения Вселенной в 20 веке укрепило гипотезу будущей “тепловой смерти Вселенной“. Астрономические наблюдения наиболее удаленных частей наблюдаемой Вселенной показали, что наша Вселенная на масштабе в несколько сотен мегапарсек имеет неупорядоченный ячеистый вид, в котором сверхскопления галактик чередуются с огромными пустотами (войдами).

Крупномасштабная структура Вселенной

Ещё большим свидетельством справедливости гипотезы стало открытие реликтового излучения – теплового излучения Вселенной, возникшего во время рекомбинации (соединения протонов и электронов в атомы) первичного водорода, которое случилось через 379 тысяч лет.

Процесс рекомбинации происходит при температурах в 3 тысячи Кельвинов, в то же время текущая температура реликтового излучения, определенная по его максимуму составляет только 2.7 Кельвинов.

Изучение реликтового излучения показало, что оно является изотропным (однородным) для любого направления на небе на уровне в 99.999%.

Наглядная модель Вселенной

Астрономические наблюдения позволяют построить т.н. диаграмму Мадо («Madau-diagram»), которая показывает зависимость темпа звездообразования в зависимости от возраста Вселенной.

Изучение статистики квазаров (ядер активных галактик) позволяет независимо оценить темп звездообразования. Обзор 2DF, проведенный в 1997-2002 году на австралийском телескопе ААТ изучил около 10 тысяч квазаров на площади неба в 1.5 тысяч квадратных градусов в областях обоих галактических полюсов.

Другим доказательством верности теории будущей “тепловой смерти Вселенной“ стали исследования ядерной физики, которые показали, что энергия связи нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре растет по мере увеличения их числа в ядре большинства химических элементов.

Следствием этой зависимости стало то, что термоядерные реакции слияния с участием более легких химических элементов (к примеру, водорода и гелия) приводят к выделению значительно большего количества энергии в недрах звезд, чем термоядерные реакции с участием более тяжелых химических элементов. Кроме того теоретические исследования в конце 20 века предположили, что и черные дыры не являются вечными, а постепенно испаряются под действием “излучения Хокинга“ (гипотетическое излучение черных дыр, которое преимущественно состоит из фотонов).

Аргументы против гипотезы “тепловой смерти“ Вселенной

Иллюстрация теории Большого разрыва Вселенной

Сомнения в справедливости гипотезы неизбежной “тепловой смерти Вселенной” в будущем можно разделить на несколько моментов (см. иллюстрацию теории Большого разрыва Вселенной).

Существует неопределенность в прогнозировании будущих изменений объема нашей Вселенной. Существует как теория Большого разрыва Вселенной (ускоренного расширения Вселенной до бесконечности), так и теория Большого сжатия Вселенной (в будущем Вселенная начнет сжиматься). Неопределенность между этими вариантами вызвана недавними открытиями загадочной темной материи и энергии.

Иллюстрация теории бесконечного цикла сжатия и расширения Вселенной

Существует неопределенностью в вопросе количества существующих Вселенных, и возможности связи между ними. С одной стороны фотометрический парадокс (парадокс Шезо — Ольберса) темного неба говорит о конечности размера и возраста нашей Вселенной, а так же об отсутствии её связи с другими Вселенными.

Слабое современное понимание влияния темной материи и энергии на эволюцию Вселенной

С другой стороны из принципа заурядности (принципа Коперника) следует, что наша Вселенная не уникальна, и должно существовать бесконечное множество других Вселенных с другим набором физических констант. Кроме того современная физика допускает существование пространственно-временных туннелей (кротовых нор) между разными Вселенными.

При охлаждении обычного вещества (переходе его в твердое состояние) его энтропия не увеличивается, а наоборот уменьшается:

Энтропия на примере воды

Ключевыми моментами теории “тепловой смерти” Вселенной является возможность распада протона и существование “излучения Хокинга“, но эти гипотетические явления пока не доказаны экспериментально.

Информационный парадокс

Существует большая неопределенность в вопросе влияния жизни и разума на динамику энтропии Вселенной. В вопросе влияния неразумных жизненных форм на энтропию Вселенной мало сомнений, что жизнь уменьшает энтропию.

В качестве доказательств этого можно привести факты более сложной природы живых организмов по сравнению с любыми неорганическими химическими веществами. Поверхность нашей планеты за счет биосферы выглядит куда более разнообразной по сравнению с “мертвой“ поверхностью Луны, Марса или Венеры.

Кроме того простейшие живые организмы замечены в деятельности по обогащению земной атмосферы кислородом (биогенный кислород), а так же генерированию богатых месторождений полезных ископаемых (биогенез).

Сравнение поверхности Венеры, Земли, Луны, Марса и Титана (слева направо)

В то же время остаётся без ответа вопрос о том, увеличивает или уменьшает энтропию Вселенной разумная жизнь (то есть человек)? С одной стороны человеческий мозг является наиболее сложной формой из известных среди живых организмов, как и то, что научно-технический прогресс позволил людям достичь невиданных высот в познании и конструирование, в том числе в синтезировании химических элементов и элементарных частиц, которых не наблюдается в природе. Современная человеческая цивилизация способна предотвращать крупные природные катастрофы (лесные пожары, наводнения, массовые эпидемии и т.д.) и в шаге от возможности предотвращения катастроф планетарного масштаба (падения небольших астероидов и комет).

Ночная фотография поверхности Земли из космоса

С другой стороны человеческая цивилизация выделяется и “энтропийными“ тенденциями.

Растет разрушительная мощь оружейных арсеналов вместе с увеличением числа опасных химических и ядерных производств, горная промышленность всего за десятилетия способна опустошить месторождения полезных ископаемых, которые накапливались на планете многие сотни миллионов лет.

Развитие сельского хозяйства привело к обезлесению большей части поверхности нашей планеты, а так же способствует деградации почв и опутыванию. Браконьерство, выбросы парниковых газов (возможное окисление океана) и т.д.

быстро сокращают биоразнобразие нашей планеты, в связи, с чем экологи причисляют нынешнее время к новому массовому вымиранию. Кроме того в последние десятилетия отмечено сильное снижение рождаемости и в наиболее развитых странах, не исключено что эта демографическая ситуация стала следствием запредельного усложнения быта человеческой цивилизации.

Тепловая смерть Земли

В связи со всеми этими тенденциями, ближайшее будущее человеческой цивилизации представляет собой огромное количество возможных вариантов: начиная от эпической картины космической колонизации всей галактики вместе со строительством сфер Дайсона, расцветом искусственного интеллекта и установлением контакта с внеземными цивилизациями вплоть до отката в вечное средневековье на планете с подорванными минеральными и биологическими ресурсами. Парадокс Ферми (Великое молчание Вселенной) добавляет ещё больше неопределенности в вопросе влияния жизни и разума на динамику энтропии Вселенной, так как существует огромный диапазон для его объяснения: от огромной редкости биосфер и разумных цивилизаций во Вселенной до гипотезы, что наша Земля представляет собой некий “заповедник“ или “матрицу“ в мире разумных сверхцивилизаций.

Современное представление о “тепловой смерти“ Вселенной

В настоящее время физики рассматривают следующую последовательность эволюции Вселенной в будущем при условии её дальнейшего расширения с текущей скоростью:

  • 1-100 триллионов (1012) лет – завершение процессов образования звезд во Вселенной и угасание даже самых поздних красных карликов. После этого момента во Вселенной останутся только звездные остатки: черные дыры, нейтронные звезды и белые карлики.
  • 1 квадратиллионов (1015) лет – все планеты покинут свои орбиты вокруг звезд в связи с гравитационными возмущениями от близких пролетов других звезд.
  • 10-100 квинтиллионов (1018) лет – все планеты, коричневые карлики и звездные остатки покинут свои галактики по причине постоянных гравитационных возмущений друг от друга.
  • 100 квинтиллионов (1018) лет – приблизительное время падения Земли на Солнце по причине излучения гравитационных волн, в случае если бы Земля пережила стадию красного гиганта и осталась бы на своей орбите.
  • 2 анвигинтиллиона (1066) лет – приблизительное время полного испарения черной дыры массой с Солнце.
  • 17 септдециллиардов (10105) лет – приблизительное время полного испарения черной дыры массой в 10 триллионов масс Солнца. Это время окончания эпохи черных дыр.

В дальнейшем будущее Вселенной распадается на два возможных варианта в зависимости от того является ли протон стабильной элементарной частицей или нет:

  • А) Протон является нестабильной элементарной частицей;
  • А1) 10 дециллионов (1033) лет – наименьшее возможное время полураспада протона согласно экспериментам ядерных физиков на Земле;
  • А2) 2 ундециллиона (1036) лет – наименьшее возможное время распада всех протонов во Вселенной;
  • А3) 100 додециллионов (1039) лет – наибольшее возможное время полураспада протона, которое следует из гипотезы, что Большой взрыв объясняется инфляционными космологическими теориями, и что распад протона вызван тем же процессом, который ответственен за преобладание барионов над антибарионами в ранней Вселенной;
  • А4) 30 тредециллионов (1041) лет – максимальное возможное время распада всех барионов во Вселенной. После этого времени должна начаться эпоха черных дыр, так как они останутся единственными существующими небесными объектами во Вселенной;
  • А5) 17 септдециллиардов (10105) лет – примерное время полного испарения даже наиболее массивных черных дыр. Это время окончания эпохи черных дыр, и наступления эпохи вечной тьмы, в которой все объекты Вселенной распались до субатомных частиц и замедлились до наименьшего энергетического уровня.

Иллюстрация сценария будущего Вселенной где протон является нестабильной элементарной частицей

Б) Протон стабильная элементарная частица;

Б1) 100 вигинтиллионов (1063) лет – время, за которое все тела в твердой форме даже при абсолютном нуле превратятся в “жидкообразное” состоянии, вызванное эффектом квантового туннелирования – миграцией в другие части кристаллической решетки;

Б2) 101500 лет – появление гипотетических железных звезд по причине процессов холодного нуклеосинтеза, идущего путём квантового туннелирования, в ходе которого легкие ядра преобразуются в наиболее стабильный изотоп – Fe56 (по другим сведениям самым стабильным изотопом является никель-62, который обладает наиболее высокой энергией связи.). Одновременно тяжелые ядра также превращаются в железо по причине радиоактивного распада;

Черные дыры

Б3) 10 в 1026 – 10 в 1076 лет – оценка диапазона времени в течение которого все вещество во Вселенной аккрецирует в черные дыры.

Эпоха черных дыр

Кадр из клипа группы Комплексные числа “Неизбежность”

И в заключение можно отметить предположение, что после 10 в 10120 лет все вещество во Вселенной достигнет минимального энергетического состояния. То есть это и будет гипотетическое наступление “тепловой смерти“ Вселенной. Кроме того у математиков существует понятие времени возврата Пуанкаре.

Это понятие означает вероятность того, что рано или поздно любая часть системы вернется в свое первоначальное состояние.

Хорошей иллюстрацией этого понятия является вариант, когда в сосуде, разделенном на две части перегородкой, в одной из частей находится некий газ.

Если убрать перегородку, то все равно рано или поздно наступит время, когда все молекулы газа окажутся в исходной половине сосуда. Для нашей Вселенной время возврата Пуанкаре оценивается фантастически большой величиной.

Теория “тепловой смерти“ Вселенной стала популярна и в массовой культуре. Хорошей иллюстрацией этой теории стал клип группы Комплексные числа: “Неизбежность”, а так же научно-фантастический рассказ Айзека Азимова “Последний вопрос”.

Источник: https://SpaceGid.com/teplovaya-smert-vselennoy.html

Гипотеза «тепловой смерти» Вселенной

Тепловая смерть Вселенной как физическая гипотеза
Клаузиус и его постулат о развитии Вселенной

1.2 Гипотеза «тепловой смерти» Вселенной

Мир полон энергии, которая подчиняется важнейшему закону природы — закону сохранения энергии. При всех своих превращениях из одного вида в другой энергия не исчезает и не возникает из ничего. Общее количество энергии остается постоянным. Казалось бы, из этого закона неизбежно вытекает вечный круговорот материи во Вселенной.

В самом деле, если в Природе при всех изменениях материи она не исчезает и не возникает из ничего, а лишь переходит из одной формы существования в другую, то Вселенная вечна, и материя, ее составляющая, пребывает в вечном круговороте. Таким образом, погасшие звезды снова превращаются в источник света и тепла.

Никто, конечно, не знал, как это происходит, но убеждение в том, что Вселенная в целом всегда одна и та же, было в прошлом веке почти всеобщим.

Тем неожиданнее прозвучал вывод из второго закона термодинамики.

При всех превращениях различные виды энергии в конечном счете переходят в тепло, которое, будучи предоставлено себе, стремится к состоянию термодинамического равновесия, то есть рассеивается в пространстве.

Так как такой процесс рассеяния тепла необратим, то рано или поздно все звезды погаснут, все активные процессы в Природе прекратятся и Вселенная превратится в мрачное замерзшее кладбище. Наступит «тепловая смерть Вселенной».

Подробный анализ этой гипотезы был выполнен Клаузиусом, и он считал правомерным распространение на всю Вселенную закона возрастания энтропии.

Действительно, если рассмотреть Вселенную как адиабатически изолированную термодинамическую систему, то, учитывая ее бесконечный возраст, на основании закона возрастания энтропии можно сделать вывод о достижении ею максимума энтропии, то есть состояния термодинамического равновесия. Но в реально окружающей нас Вселенной этого не наблюдается.

Итак, необратимость реальных тепловых процессов в природе обусловлена стремлением термодинамических систем к равновесию, сопровождающемуся разрушением порядка и переходом к более вероятному неупорядоченному состоянию. И в соответствии со статистической формулировкой второго начала термодинамики «стрела времени» направлена в сторону увеличения энтропии системы.

Это фундаментальное положение равновесной термодинамики было положено в основу одной достаточно популярной в свое время космологической гипотезы.

Так, применив второе начало термодинамики ко всей Вселенной как к целому, он пришел к выводу, что конечным состоянием Вселенной должно стать состояние теплового равновесия, когда материя окажется равномерно распределенной по всему пространству.

Такая концепция получила название «тепловой смерти» Вселенной.

Согласно этой концепции нынешнее состояние Вселенной — это гигантская флуктуация из равновесного состояния, которая в настоящее время «рассасывается», экспоненциально приближаясь к равновесному состоянию.

В дальнейшем возможно повторение флуктуационного всплеска, сопровождающегося самопроизвольным упорядочением материи, после чего опять начнется релаксационный процесс, и так будет повторяться до бесконечности.

Ошеломляющее впечатление, произведенное на естествоиспытателей прошлого века вторым началом термодинамики, было особенно сильно еще и потому, что вокруг себя, в окружающей нас Природе они не видели фактов, его опровергающих.

Наоборот, все, казалось, подтверждало мрачные прогнозы Клаузиуса. Конечно, есть в Природе и антиэнтропийные процессы, при которых беспорядок, а значит, и энтропия уменьшаются. Таковы процессы, происходящие в органическом мире, в человеческой деятельности.

Но при более глубоком рассмотрении ситуации всегда оказывается, что уменьшение беспорядка в одном месте неизбежно сопровождается его увеличением в другом.

Более того, возникший по вине человека беспорядок значительно превышает тот порядок, который он внес в Природу, так что, в конечном счете, энтропия и тут продолжает расти.

2. Опровержение гипотезы «тепловой смерти» Вселенной

В постнеклассической науке были сформулированы принципиально новые подходы к анализу принципа Клаузиуса и устранению термодинамического парадокса в космологии.

Наиболее значительны перспективы, которых можно ожидать от космологической экстраполяции теории самоорганизации, развитой на основе идей русского космизма.

Необратимые процессы в резко неравновесных, нелинейных системах позволяют, по-видимому, избежать тепловой смерти Вселенной, поскольку она оказывается открытой системой.

Мы видим таким образом, что принцип Клаузиуса до сих пор является почти неиссякаемым источником новых идей в комплексе физических наук. Тем не менее, несмотря на появление все новых моделей и схем, в которых тепловая смерть отсутствует, никакого «окончательного» разрешения термодинамического парадокса до сих пор не достигнуто.

Все попытки разрубить «гордиев узел» проблем, связанных с принципом Клаузиуса, неизменно приводили лишь к частичным, отнюдь не строгим и не окончательным выводам, как правило, достаточно абстрактным.

Содержавшиеся в них неясности порождали все новые проблемы и пока нет особой надежды, что успеха удастся достигнуть в обозримом будущем.

Вообще говоря, это — вполне обычный механизм развития научного познания, тем более что речь идет об одной из наиболее фундаментальных проблем.

Встать на позицию Клаузиуса — это значит признать, что Вселенная имела когда-то начало и неизбежно будет иметь конец.

Действительно, если бы в прошлом Вселенная существовала вечно, то в ней давно наступило бы состояние тепловой смерти, а так как этого нет, то, по убеждению Клаузиуса и многих других его современников, Вселенная была сотворена сравнительно недавно. А в будущем, если не случится какое-нибудь чудо, Вселенную ждет тепловая смерть.

На опровержение второго начала термодинамики были брошены силы всех материалистически мыслящих ученых. Найти ошибку в рассуждениях Клаузиуса долго не удавалось. И первым, кто решил вопрос о «тепловой смерти», стал Л.

Больцман, который показал, что и в состоянии термодинамического равновесия наблюдаются флуктуации термодинамических параметров.

Если считать, что наблюдаемая Вселенная является следствием такой флуктуации, то противоречия парадокса тепловой смерти Вселенной снимаются.

Во-первых, вряд ли предположение о замкнутости (изолированности) Вселенной можно считать убедительно доказанным фактом.

Во-вторых, статистическая интерпретация второго начала термодинамики разработана для молекул (точнее, для материальных точек), Вселенная же представляет собой другие объекты — планеты, звезды, галактики и т. п.

, и совершенно не обоснован перенос с закономерностей одного «мира» на другой. В-третьих, второе начало термодинамики, строго говоря, относится к системам, находящимся вблизи состояния теплового равновесия.

Сделанные Клаузиусом выводы, строго говоря, противоречат и первому началу термодинамики, утверждающему неуничтожимость движения, причем не только количественно, но и качественно.

По его гипотезе, возрастание энтропии происходит потому, что состояние беспорядка всегда более вероятно, чем состояние порядка.

Но это не означает, что процессы противоположного характера, то есть самопроизвольные с уменьшением энтропии, абсолютно невозможны. Они в принципе возможны, хотя и крайне маловероятны.

Всюду мы наблюдаем, как тепло от более горячего тела переходит к более холодному. Однако в принципе возможно и другое: кусок льда, брошенный в печь, увеличит ее жар.

Не исключено и такое событие, что все молекулы воздуха в нашей комнате соберутся вдруг в одном ее углу, а вы погибнете от удушья в другом. Наконец, возможно, что обезьяна, посаженная за пишущую машинку, случайно выстучит пальцем сонет Шекспира.

Все эти события возможны, но вероятность их близка к нулю. Такова же, по Больцману, вероятность существования нас с вами.

Больцман не сомневался, что Вселенная бесконечна в пространстве и времени. В основном и почти всегда она пребывает в состоянии тепловой смерти.

Однако иногда в некоторых ее районах возникают крайне маловероятные отклонения (флуктуации) от обычного состояния Вселенной. К одной из них принадлежит Земля и весь видимый нами космос.

В целом же Вселенная — безжизненный мертвый океан с некоторым количеством островков жизни.

Заключение

Вот уже почти полтора века научное сообщество занимает вопрос: почему — вопреки принципу Клаузиуса — повсюду во Вселенной мы наблюдаем не процессы монотонной деградации, а напротив, процессы становления, возникновения новых структур.

В чем же состоит эпистемологическая природа рассматриваемого парадокса? Исходным было возникновение термодинамического парадокса на уровне научной картины мира (НКМ), на котором Клаузиус и осуществлял свою экстраполяцию возрастания принципа энтропии на Вселенную.

Парадокс выступал как противоречие между выводом Клаузиуса и принципом бесконечности мира во времени.

В самом деле, «тепловая смерть» Вселенной, даже если бы она произошла в каком-то отдаленном будущем, пусть даже через миллиарды или десятки миллиардов лет, все равно ограничивает «шкалу времени» человеческого прогресса.

Вот почему высказывания о, казалось бы, чисто научной экстраполяции Клаузиуса, которую и обсуждать надо в строго научных рамках, приобретали характер беспрецедентных философско-мировоззренческих дискуссий по поводу физических принципов.

Можно выделить, по крайней мере, пять моментов, характеризующих эвристическую роль термодинамического парадокса в науке, который выступает неиссякаемым источником новых концептуальных достижений:

1.         Принцип возрастания энтропии (в форме термодинамического парадокса) с самого своего появления не только не вписывался в карту мира Ньютона, но и вступил с ней в непримиримое противоречие, содействовал ее «разрушению».

Этот принцип перечеркнул классический образ мира как часового механизма, движение которого полностью детерминировано начальными условиями и законами, отверг идею механического круговорота в природе.

Так и не опровергнутый принцип Клаузиуса свидетельствовал: природа гораздо глубже, чем сложившееся до того времени и канонизированные культурой «общепринятые» представления о ней.

2.         Отторгнутый ньютоновской картиной мира, этот принцип стал краеугольным камнем неклассических взглядов на природу.

3.         Клаузиус, впервые после Ньютона, вернулся к проблематике мира как целого, впервые сформулировал проблему его эволюции не на философско-мировоззренческом уровне, как это было до него, а языком НКМ. Клаузиус впервые поставил вопрос о связи между эволюцией космических тел и систем и изменением состояния Вселенной как целого.

4.         Принцип Клаузиуса впервые ввел в науку понимание эволюции как необратимого изменения состояния физических объектов — в противовес идее механического круговорота в классической картине мира.

5.         Еще более значимыми с философско-мировоззренческой точки зрения следствиями принципа Клаузиуса были конструкты «конца», а значит, возможно, и «начала» мира.

6.         И, наконец, принцип Клаузиуса сыграл важную эвристическую роль в становлении — почти столетие спустя — теории самоорганизации: «…эволюционная идея возникла в XIX в.

в двух прямо противоположных формах: в термодинамике принцип Карно-Клаузиуса формулируется как закон непрерывной деорганизации и разрушения изначально заданной структуры.

В биологии, или социологии, идея эволюции, напротив, ассоциируется с усложнением организации».

Противоречие между пониманием эволюции живой и неживой природы, возникшее после появления принципа Клаузиуса и на уровне классической НКМ и разрешавшееся отстаиванием различных вариантов принципам всеобщей обратимости физических процессов, снимается иными концептуальными структурами — теорией самоорганизации.

Вселенная как целое действительно подчиняется законам, «асимметричным по отношению к прошедшему и будущему». Но происходит это в соответствии со вторым началом термодинамики, а не в противоречии с ним.

Список использованной литературы

1.       Базаров И.П. Заблуждения и ошибки в термодинамике / И.П.Базаров. — М.: Едиториал, 2005.

2.       Казютинский В.В. Термодинамический парадокс в космологии / В.В.Казютинский. М.: Российская академия наук, 2004.

3.       Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Учебник для вузов.- М.: Высшая школа, 1998.

Клаузиус и его постулат о развитии Вселенной

… и химическим процессам, происходящим в веществе, в различных системах.

Важным достижением на пути этого процесса интеграции знаний было открытие фундаментального закона природы — закона сохранения и превращения энергии. Основатель термодинамики С.

Карно в своем труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способах развивать эту силу» пишет: «Тепло — это не что иное, как движущая сила, …

… ранняя история, т.е. что она действительно эволюционирует. Этапы эволюции горячей Вселенной, неоднозначность сценария.

Антропный принцип Космология – раздел астрофизики, изучающий строение и эволюцию Вселенной в целом. Современная космология возникла в начале XX века.

Данные астрофизических наблюдений показывают, что крупнейшими структурными единицами Вселенной являются большие скопления и …

… С.

Подолинский, провозгласив идею соединения естественных и общественных наук, доказал, что человек, сохраняя и накапливая солнечную энергию, обеспечивает сбалансированное развитие природы и общества, и заложил тем самым основы концепции устойчивого развития. Идеи С. Подолинского творчески развивал В. Вернадский, достойно оценивший его вклад в развитие вопросов энергетики жизни. В. Вернадский …

… , или термодинамическое равновесие, при котором движение частиц хаотично. Максимальная энтропия означает полное термодинамическое равновесие, что эквивалентно хаосу.

Часто второе начало термодинамики преподносится как объединенный принцип существования и возрастания энтропии.

Принцип существования энтропии формулируется как математическое выражение энтропии термодинамических систем в условиях …

Источник: https://www.KazEdu.kz/referat/131432/1

Тепловая смерть Вселенной как физическая гипотеза

Тепловая смерть Вселенной как физическая гипотеза

Определение 1

Тепловая смерть Вселенной – это ошибочная теория Клаузиуса и Томсона, распространивших законы термодинамики на Вселенную, как целое.

Возможность применения начал термодинамики ограничена в первую очередь рамками самой термодинамики, ее предметом и начальными положениями.

Тепловое движение, исследуемое термодинамикой как наукой, правомерно рассматривать в системах, которые состоят из большого количества частиц. Следовательно, законы термодинамики неприменимы к макросистемам, размеры которых можно сравнивать с размерами молекул. Это определяет нижнюю границу применимости законов термодинамики.

Верхняя граница применимости термодинамических законов связана с ограничением применения термодинамики к системам размеров галактик, поскольку определяющими силами в них являются дальнодействующие силы гравитации.

Эти силы ведут к тому, что исходные положения классической термодинамики не выполняются.

В результате при отсутствии обобщения исходных термодинамических положений для систем космоса второе начало термодинамики использовать нельзя при рассмотрении больших областей Вселенной и тем более Вселенной как единого целого.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

М. Планк писал о том, что не имеет смысла говорить об энтропии или энергии мира, поскольку данные параметры в этом случае нельзя даже определить в точности.

Так некритический перенос законов макроскопического опыта на Вселенную привел к антинаучному выводу о «тепловой смерти» Вселенной.

Работы В. Томсона и Р. Клаузиуса о «тепловой смерти Вселенной»

В своей работе «О проявляющейся в природе общей тенденции к рассеянию механической энергии» В. Томсон, принимая за основу второе начало термодинамики, сделал следующие замечания:

  1. В материальном мире механическая энергия постоянно расходуется.
  2. Данную механическую энергию невозможно восстановить какими-либо доступными средствами и методами.
  3. В этой связи Земля находилась некоторое время назад (промежуток времени является конечным) и придет в состояние, при котором она будет непригодна для жизни человека. Если только не будут выполнены меры, которые невозможно реализовать при существующих в настоящее время законах природы.

Из выводов Томсона следует представление о «тепловой смерти» Вселенной. В этом случае должны прекратиться все процессы. Вселенная приходит в состояние термодинамического равновесия. При этом все интенсивные параметры во всех точках Вселенной станут одинаковыми, далее отсутствуют причины, которые могли бы вызывать какие-либо процессы.

В законченном виде гипотеза о «тепловой смерти» Вселенной была сформулирована более ста лет назад в работах Клаузиуса, который распространил законы термодинамики на всю Вселенную.

Р. Клаузиус сформулировал следующее положение:

Теорема 1

Энергия мира остается неизменной. Энтропия Вселенной стремится к наибольшей величине.

Следует заметить, что гипотеза Клаузиуса и Томсона противоречит закону сохранения и трансформации энергии. Закон сохранения говорит не только о том, что невозможно количественно уничтожить движение материи, но и материя не может утратить способность к качественному превращению разных форм перехода разных видов движения.

Часть научного сообщества XIX века выступила против гипотезы Томсона – Клаузиуса.

Большое прогрессивное значение в опровержении гипотезы тепловой смерти Вселенной играли работы Л. Больцмана.

Гипотеза Больцмана

В опровержение гипотезы о «тепловой смерти» Вселенной Л. Больцман предложил «флуктуационную» гипотезу. Этот ученый выявил статистическую природу второго начала термодинамики.

В соответствии с теорией Больцмана состояние термодинамического равновесия — это только самое встречающееся и самое вероятное состояние термодинамической системы.

В равновесной термодинамической системе в любой момент времени, самопроизвольно могут появляться какие угодно большие флуктуации.

Применяя свои выводу к Вселенной, ученый сделал вывод о том, что она пребывает в состоянии термодинамического равновесия, при этом во Вселенной возникают флуктуации.

Огромной флуктуацией является часть Вселенной, в которой находимся мы. Любая флуктуация необходимо исчезнет, но неизбежно появится новая подобная в другом месте Вселенной.

Так, Л. Больцман сделал вывод о том, что одни миры гибнут, другие появляются.

Необратимое увеличение энтропии в замкнутых системах по второму началу термодинамики определяет отличие будущих событий от прошедших. Этот факт натолкнул Больцмана на мысль об использовании второго начала термодинамики для определения роста времени. Ученый полагал, что:

  • время растет в направлении увеличения энтропии в нашей области Вселенной;
  • в той части Вселенной, где идут флуктуации, время следует в обратную сторону.

Против гипотезы Больцмана тоже имелись возражения. Например:

  • бесконечно маленькая вероятность больших флуктуаций;
  • отсутствие в теории специфики Вселенной, как гравитирующей системы.

Причины ошибочности гипотез

Гипотезы «тепловой смерти» и флуктуаций не приняли во внимание, что Вселенная – это прежде всего, гравитирующая система. Тогда как для идеального газа самым вероятным является равномерное распределение молекул в пространстве, в системе притягивающихся частиц однородное их распределение не будет отвечать максимальной энтропии.

Возникновение звезд и галактик из равномерного распределения вещества – это не следствие флуктуации, а естественный процесс, который идет при увеличении энтропии, при этом нет никакой потребности в изменении законов термодинамики.

В настоящее время саму постановку вопроса о «тепловой смерти» Вселенной считают неверной, так как Метагалактика является расширяющейся системой, и поэтому она нестационарная.

Некоторые полагают, что ошибочность гипотезы о «тепловой смерти» Вселенной заключена в необоснованном распространении второго начала термодинамики на целую Вселенную, так как на самом деле Вселенная является неизолированной системой. Но это не так, Вселенная – изолированная система.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/fizicheskie_gipotezy/teplovaya_smert_vselennoy_kak_fizicheskaya_gipoteza/

Появление теории в 19 веке

Рудольф Клаузис

В результате Второго закона термодинамики любая физическая система, не обменивающаяся энергией с другими системами, стремится к самому вероятному состоянию равновесия — к состоянию с наибольшей энтропией (величина характеризующая степень неупорядоченности и теплового состояния физической системы).

Этот закон впервые был описан Сади Карно в 1824 году. Как следствие этого, уже в 1852 году Уильям Кельвин предложил гипотезу о грядущей в будущем “тепловой смерти Земли“ в ходе процесса остывания нашей планеты до безжизненного состояния.

В 1865 году Рудольф Клаузиус распространил эту гипотезу уже на всю Вселенную.

В 1872 году австрийский физик Людвиг Больцман попытался количественно оценить энтропию с помощью формулы S = k * ln W (где, S — энтропия, k — константа Больцмана, W — количество микросостояний, реализующих макросостояние. Микросостояние — это состояние отдельной составляющей системы, а макросостояние — состояние системы в целом.

Наглядно об энтропии

В настоящее время энтропия видимой части нашей Вселенной оценивается примерно в 1088 или 10 октовигинтиллионов. Это значение примерно соответствует числу фотонов в нашей Вселенной, для сравнения число фотонов во Вселенной примерно в миллиард раз превышает число барионов (обычных элементарных частей состоящих из нескольких кварков – протонов, нейтронов, и т.д.).

Развитие теории в 20 веке

Открытие расширения Вселенной в 20 веке укрепило гипотезу будущей “тепловой смерти Вселенной“. Астрономические наблюдения наиболее удаленных частей наблюдаемой Вселенной показали, что наша Вселенная на масштабе в несколько сотен мегапарсек имеет неупорядоченный ячеистый вид, в котором сверхскопления галактик чередуются с огромными пустотами (войдами).

Крупномасштабная структура Вселенной

Ещё большим свидетельством справедливости гипотезы стало открытие реликтового излучения – теплового излучения Вселенной, возникшего во время рекомбинации (соединения протонов и электронов в атомы) первичного водорода, которое случилось через 379 тысяч лет.

Процесс рекомбинации происходит при температурах в 3 тысячи Кельвинов, в то же время текущая температура реликтового излучения, определенная по его максимуму составляет только 2.7 Кельвинов.

Изучение реликтового излучения показало, что оно является изотропным (однородным) для любого направления на небе на уровне в 99.999%.

Наглядная модель Вселенной

Астрономические наблюдения позволяют построить т.н. диаграмму Мадо («Madau-diagram»), которая показывает зависимость темпа звездообразования в зависимости от возраста Вселенной.

Эта диаграмма показывает, что пик звездообразования пришелся на 1-2 миллиард лет жизни нашей Вселенной

Изучение статистики квазаров (ядер активных галактик) позволяет независимо оценить темп звездообразования. Обзор 2DF, проведенный в 1997-2002 году на австралийском телескопе ААТ изучил около 10 тысяч квазаров на площади неба в 1.5 тысяч квадратных градусов в областях обоих галактических полюсов.

Другим доказательством верности теории будущей “тепловой смерти Вселенной“ стали исследования ядерной физики, которые показали, что энергия связи нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре растет по мере увеличения их числа в ядре большинства химических элементов.

Диаграмма показывает, что пик звездообразования пришелся на 1-2 миллиард лет жизни нашей Вселенной

Следствием этой зависимости стало то, что термоядерные реакции слияния с участием более легких химических элементов (к примеру, водорода и гелия) приводят к выделению значительно большего количества энергии в недрах звезд, чем термоядерные реакции с участием более тяжелых химических элементов. Кроме того теоретические исследования в конце 20 века предположили, что и черные дыры не являются вечными, а постепенно испаряются под действием “излучения Хокинга“ (гипотетическое излучение черных дыр, которое преимущественно состоит из фотонов).

Аргументы против гипотезы “тепловой смерти“ Вселенной

Иллюстрация теории Большого разрыва Вселенной

Сомнения в справедливости гипотезы неизбежной “тепловой смерти Вселенной” в будущем можно разделить на несколько моментов (см. иллюстрацию теории Большого разрыва Вселенной).

Существует неопределенность в прогнозировании будущих изменений объема нашей Вселенной. Существует как теория Большого разрыва Вселенной (ускоренного расширения Вселенной до бесконечности), так и теория Большого сжатия Вселенной (в будущем Вселенная начнет сжиматься). Неопределенность между этими вариантами вызвана недавними открытиями загадочной темной материи и энергии.

Иллюстрация теории бесконечного цикла сжатия и расширения Вселенной

Существует неопределенностью в вопросе количества существующих Вселенных, и возможности связи между ними. С одной стороны фотометрический парадокс (парадокс Шезо — Ольберса) темного неба говорит о конечности размера и возраста нашей Вселенной, а так же об отсутствии её связи с другими Вселенными.

Слабое современное понимание влияния темной материи и энергии на эволюцию Вселенной

С другой стороны из принципа заурядности (принципа Коперника) следует, что наша Вселенная не уникальна, и должно существовать бесконечное множество других Вселенных с другим набором физических констант. Кроме того современная физика допускает существование пространственно-временных туннелей (кротовых нор) между разными Вселенными.

При охлаждении обычного вещества (переходе его в твердое состояние) его энтропия не увеличивается, а наоборот уменьшается:

Энтропия на примере воды

Ключевыми моментами теории “тепловой смерти” Вселенной является возможность распада протона и существование “излучения Хокинга“, но эти гипотетические явления пока не доказаны экспериментально.

Информационный парадокс

Существует большая неопределенность в вопросе влияния жизни и разума на динамику энтропии Вселенной. В вопросе влияния неразумных жизненных форм на энтропию Вселенной мало сомнений, что жизнь уменьшает энтропию. В качестве доказательств этого можно привести факты более сложной природы живых организмов по сравнению с любыми неорганическими химическими веществами.

Поверхность нашей планеты за счет биосферы выглядит куда более разнообразной по сравнению с “мертвой“ поверхностью Луны, Марса или Венеры. Кроме того простейшие живые организмы замечены в деятельности по обогащению земной атмосферы кислородом (биогенный кислород), а так же генерированию богатых месторождений полезных ископаемых (биогенез).

Сравнение поверхности Венеры, Земли, Луны, Марса и Титана (слева направо)

В то же время остаётся без ответа вопрос о том, увеличивает или уменьшает энтропию Вселенной разумная жизнь (то есть человек)? С одной стороны человеческий мозг является наиболее сложной формой из известных среди живых организмов, как и то, что научно-технический прогресс позволил людям достичь невиданных высот в познании и конструирование, в том числе в синтезировании химических элементов и элементарных частиц, которых не наблюдается в природе. Современная человеческая цивилизация способна предотвращать крупные природные катастрофы (лесные пожары, наводнения, массовые эпидемии и т.д.) и в шаге от возможности предотвращения катастроф планетарного масштаба (падения небольших астероидов и комет).

Ночная фотография поверхности Земли из космоса

С другой стороны человеческая цивилизация выделяется и “энтропийными“ тенденциями.

Растет разрушительная мощь оружейных арсеналов вместе с увеличением числа опасных химических и ядерных производств, горная промышленность всего за десятилетия способна опустошить месторождения полезных ископаемых, которые накапливались на планете многие сотни миллионов лет.

Развитие сельского хозяйства привело к обезлесению большей части поверхности нашей планеты, а так же способствует деградации почв и опутыванию. Браконьерство, выбросы парниковых газов (возможное окисление океана) и т.д.

быстро сокращают биоразнобразие нашей планеты, в связи, с чем экологи причисляют нынешнее время к новому массовому вымиранию. Кроме того в последние десятилетия отмечено сильное снижение рождаемости и в наиболее развитых странах, не исключено что эта демографическая ситуация стала следствием запредельного усложнения быта человеческой цивилизации.

Тепловая смерть Земли

В связи со всеми этими тенденциями, ближайшее будущее человеческой цивилизации представляет собой огромное количество возможных вариантов: начиная от эпической картины космической колонизации всей галактики вместе со строительством сфер Дайсона, расцветом искусственного интеллекта и установлением контакта с внеземными цивилизациями вплоть до отката в вечное средневековье на планете с подорванными минеральными и биологическими ресурсами. Парадокс Ферми (Великое молчание Вселенной) добавляет ещё больше неопределенности в вопросе влияния жизни и разума на динамику энтропии Вселенной, так как существует огромный диапазон для его объяснения: от огромной редкости биосфер и разумных цивилизаций во Вселенной до гипотезы, что наша Земля представляет собой некий “заповедник“ или “матрицу“ в мире разумных сверхцивилизаций.

Современное представление о “тепловой смерти“ Вселенной

В настоящее время физики рассматривают следующую последовательность эволюции Вселенной в будущем при условии её дальнейшего расширения с текущей скоростью:

  • 1-100 триллионов (1012) лет – завершение процессов образования звезд во Вселенной и угасание даже самых поздних красных карликов. После этого момента во Вселенной останутся только звездные остатки: черные дыры, нейтронные звезды и белые карлики.
  • 1 квадратиллионов (1015) лет – все планеты покинут свои орбиты вокруг звезд в связи с гравитационными возмущениями от близких пролетов других звезд.
  • 10-100 квинтиллионов (1018) лет – все планеты, коричневые карлики и звездные остатки покинут свои галактики по причине постоянных гравитационных возмущений друг от друга.
  • 100 квинтиллионов (1018) лет – приблизительное время падения Земли на Солнце по причине излучения гравитационных волн, в случае если бы Земля пережила стадию красного гиганта и осталась бы на своей орбите.
  • 2 анвигинтиллиона (1066) лет – приблизительное время полного испарения черной дыры массой с Солнце.
  • 17 септдециллиардов (10105) лет – приблизительное время полного испарения черной дыры массой в 10 триллионов масс Солнца. Это время окончания эпохи черных дыр.

В дальнейшем будущее Вселенной распадается на два возможных варианта в зависимости от того является ли протон стабильной элементарной частицей или нет:

  • А) Протон является нестабильной элементарной частицей;
  • А1) 10 дециллионов (1033) лет – наименьшее возможное время полураспада протона согласно экспериментам ядерных физиков на Земле;
  • А2) 2 ундециллиона (1036) лет – наименьшее возможное время распада всех протонов во Вселенной;
  • А3) 100 додециллионов (1039) лет – наибольшее возможное время полураспада протона, которое следует из гипотезы, что Большой взрыв объясняется инфляционными космологическими теориями, и что распад протона вызван тем же процессом, который ответственен за преобладание барионов над антибарионами в ранней Вселенной;
  • А4) 30 тредециллионов (1041) лет – максимальное возможное время распада всех барионов во Вселенной. После этого времени должна начаться эпоха черных дыр, так как они останутся единственными существующими небесными объектами во Вселенной;
  • А5) 17 септдециллиардов (10105) лет – примерное время полного испарения даже наиболее массивных черных дыр. Это время окончания эпохи черных дыр, и наступления эпохи вечной тьмы, в которой все объекты Вселенной распались до субатомных частиц и замедлились до наименьшего энергетического уровня.

Иллюстрация сценария будущего Вселенной где протон является нестабильной элементарной частицей

Б) Протон стабильная элементарная частица;

Б1) 100 вигинтиллионов (1063) лет – время, за которое все тела в твердой форме даже при абсолютном нуле превратятся в “жидкообразное” состоянии, вызванное эффектом квантового туннелирования – миграцией в другие части кристаллической решетки;

Б2) 101500 лет – появление гипотетических железных звезд по причине процессов холодного нуклеосинтеза, идущего путём квантового туннелирования, в ходе которого легкие ядра преобразуются в наиболее стабильный изотоп – Fe56 (по другим сведениям самым стабильным изотопом является никель-62, который обладает наиболее высокой энергией связи.). Одновременно тяжелые ядра также превращаются в железо по причине радиоактивного распада;

Черные дыры

Б3) 10 в 1026 – 10 в 1076 лет – оценка диапазона времени в течение которого все вещество во Вселенной аккрецирует в черные дыры.

Эпоха черных дыр

Кадр из клипа группы Комплексные числа “Неизбежность”

И в заключение можно отметить предположение, что после 10 в 10120 лет все вещество во Вселенной достигнет минимального энергетического состояния. То есть это и будет гипотетическое наступление “тепловой смерти“ Вселенной. Кроме того у математиков существует понятие времени возврата Пуанкаре.

Это понятие означает вероятность того, что рано или поздно любая часть системы вернется в свое первоначальное состояние.

Хорошей иллюстрацией этого понятия является вариант, когда в сосуде, разделенном на две части перегородкой, в одной из частей находится некий газ.

Если убрать перегородку, то все равно рано или поздно наступит время, когда все молекулы газа окажутся в исходной половине сосуда. Для нашей Вселенной время возврата Пуанкаре оценивается фантастически большой величиной.

Теория “тепловой смерти“ Вселенной стала популярна и в массовой культуре. Хорошей иллюстрацией этой теории стал клип группы Комплексные числа: “Неизбежность”, а так же научно-фантастический рассказ Айзека Азимова “Последний вопрос”.

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5a92c2df57906a35b4a202d6/5aba05e09f43471dc7f3608b

Booksm
Добавить комментарий