Теория о тепловой смерти Вселенной: если экстраполировать второе начало термодинамики на Вселенную, получается, что в какой-то момент она придет в состояние термодинамического равновесия с максимумом энтропии.
Энтропия — это мера необратимого рассеяния энергии.
Гипотеза о тепловой смерти, или Большом замерзании Вселенной была выдвинута Рудольфом Юлиусом Эмануэлем Клаузиусом в 1865 году.
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
Возможна ли тепловая смерть, когда наступит
Аргументы, доказывающие несостоятельность теории тепловой смерти:
Вселенная бесконечна, значит, законы термодинамики, описывающие конечные системы, нельзя применять к такому объекту в принципе.
В закрытых и изолированных системах, содержащих подсистемы, являются вполне возможными бесконечно длящиеся устойчивые неравновесные состояния.
Если учитывать гравитацию, то очень вероятно, что изотермическое распределение вещества во вселенной неоднородно. Сама по себе теория однородности вселенной не доказана и относится к области космологической философии, а не к выводам на основе наблюдаемых астрономами фактов. Напротив, наблюдаемые реликтовые холодные пятна ставят эту теорию под сомнение. При этом доказано, что вселенная расширяется, соответственно, в ней постоянно образуются новые объекты, что не позволит энтропии достичь максимума.
Состояние максимума энтропии в принципе является неким идеалом и статистически крайне маловероятно, и тем более не доказано, что это состояние приведет к гибели вселенной.
Если верна теория Большого разрыва вселенной, распад нашей галактики, Солнечной системы, Земли и атомов, оставшихся на местах этих объектов, начнется задолго до приближения к Большому замерзанию и полностью завершится примерно через 22 миллиарда лет. Это означает, что законы физики, на основе которых возможна теория о тепловой смерти Вселенной, перестанут работать, и мы не можем предсказать, что будет происходить со Вселенной.
Несмотря на критику теории Клаузиуса, его рассуждения послужили дальнейшему развитию космологических теорий и в итоге привели к появлению релятивистско-термодинамической модели эволюции.
Оценка приближения температуры абсолютно темной и невероятно расширившейся Вселенной к абсолютному нулю зависит от того, какой частицей является протон в рассматриваемых моделях — стабильной или нестабильной. В варианте, где протон нестабилен, тепловая смерть Вселенной наступает примерно через \(10^<100>\) лет. Если же протон является стабильной частицей, распад всех объектов во Вселенной на субатомные элементы произойдет через \(10^<1026>\;-\;10^<1076>\) лет.
Источник
Тепловая смерть Вселенной
Тепловая смерть Вселенной — это теория, выдвинутая Р. Клаузиусом в 1865, согласно которой Вселенная рассматривается как замкнутая система, поэтому согласно второму началу термодинамики, энтропия Вселенной стремится к максимуму, в результате чего со временем в ней должны прекратиться все макроскопические процессы.
Вселенная: споры о замкнутой и незамкнутой системе
Вспомним для начала, в чем заключается суть второго начала термодинамики: при протекании необратимых процессов в замкнутой системе энтропия системы возрастает. Для сравнения: в незамкнутых системах энтропия может как возрастать, так и убывать, а также оставаться без изменения.
Вернемся к нашей Вселенной. Вселенная, по мнению Клаузиуса, является, бесспорно, замкнутой системой, так как она не обменивается энергией с другими системами (ведь не существует никакой другой Вселенной вне нашей?). Как замкнутая система Вселенная стремится к равновесному состоянию — состоянию с максимумом энтропии. Таким образом, все происходящие во Вселенной процессы должны рано или поздно затухнуть, прекратиться.
Почему критикуют теорию тепловой смерти Вселенной?
Критика теории тепловой смерти Вселенной основывается в основном на утверждении, что, несмотря на логичность аргументов, тепловая смерть все еще не наступила. Тем не менее, мнения ученых разделились относительно будущего нашей Вселенной.
Гипотеза неверна, потому что:
1 версия:
Одни ученые утверждают, что тепловая смерть Вселенной невозможна, так как второй закон термодинамики неверен или просто неточен, так как не применим ко всей Вселенной в целом. Дело в том, что состояние с максимумом энтропии можно воспринимать лишь как идеал, так как закон возрастания энтропии не носит абсолютный характер (а подчинен вероятностным законам). Другими словами, из-за случайных флуктуаций (колебаний) энтропия в системе будет всегда ниже максимума.
2 версия:
Еще одним аргументом против теории Клаузиуса становится понимание Вселенной как бесконечной, поэтому ее нельзя назвать ни замкнутой, ни незамкнутой системой (так как эти критерии используются для конечных объектов). Поэтому вполне логично предположить, что в условиях бесконечности второй закон термодинамики не применим в принципе, или должен быть дополнен.
В любом случае знания о Вселенной еще ничтожно малы, поэтому любые прогнозы относительно будущего Вселенной остаются лишь догадками. Например, сегодня среди ученых есть и сторонники теории тепловой смерти Вселенной, которые утверждают, что подобный сценарий развития событий должен рассматриваться наравне с другими, так как человечество до сих пор не может утверждать наверняка, является ли Вселенная бесконечной, или же она все-таки конечна, поэтому может пониматься как замкнутая система.
Галетич Юлия, 08.12.2011 Обновлено: Татьяна Сидорова, 26.06.2018 Перепечатка без активной ссылки запрещена
Гравитационный парадокс
» >
Кот Шрёдингера и квантовое самоубийство
Вы можете приложить к своему отзыву картинки.
Источник
Тепловая смерть Вселенной как физическая гипотеза
Вы будете перенаправлены на Автор24
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.
Готовые работы на аналогичную тему
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:
В материальном мире механическая энергия постоянно расходуется.
Данную механическую энергию невозможно восстановить какими-либо доступными средствами и методами.
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:
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
Тепловая смерть Вселенной
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
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.
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;
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”. ‘ alt=»yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7 — Тепловая смерть Вселенной» title=»Тепловая смерть Вселенной»>
» >
