Тепловая смерть вселенной по закону энтропии

Эволюция и энтропия. Тепловая смерть Вселенной

Заметки об общей теории эволюции систем

В 1865 г. Р. Клаузиус ввёл понятие энтропии – термодинамической величины, равной
отношению количества теплоты к температуре. (Об энтропии и её свойствах можно
почитать в книге М.В. Волькенштейна [1986])

В самопроизвольных, обратимых во времени процессах энтропия постоянна. Но процессы обратимы только в теории, при обычном для классической физики пренебрежении силой трения и ей подобными. Все реальные процессы необратимы и приводят к росту энтропии (мы говорим здесь только о динамической энтропии, статическая, с процессами не связанная, не имеет отношения к эволюции). Растёт энтропия и с увеличением массы (количества элементов) системы.

В статистической физике энтропия определяется логарифмом «макровероятности», т.е. числа микросостояний – способов осуществления текущего макросостояния системы. Это не другая энтропия, Л. Больцман доказал полную эквивалентность статистического и термодинамического подходов. Но в таком представлении стала более понятной причина её роста: случайно переходя из одного микросостояния в другое, система неизбежно, в силу закона больших чисел, смещается в сторону наиболее «макровероятных».

Статистический подход выявляет проблему масштаба, от которого зависит, насколько близкие друг к другу микросостояния можно различить [см. Ландау, Лифшиц, 1976, с.50 ] Величина энтропии зависит от степени этой близости и изменяется при изменении масштаба. Но только в квантовой физике есть фиксированный порог близости. В общем случае масштаб можно выбрать произвольно, и это делает энтропию относительной величиной. Можно говорить, как она изменяется, но нельзя указать её абсолютное значение.

Макровероятность велика, если энергия равномерно распределена по системе. Поэтому рост энтропии соответствует рассеянию, стремлению к равновесности. Неравномерное распределение энергии приводит к возникновению разности потенциалов между частями системы. Как следствие, образуются потоки энергии. В изолированной системе или скоплении они восстанавливают равновесие, доводя энтропию до максимума, и сводя разность потенциалов к нулю. Обобщение этого факта привело физиков в XIX веке к двум выводам:
— энергия обесценивается и Вселенную ждёт «тепловая смерть»;
— наблюдаемая нами часть Вселенной находится в совершенно невероятном состоянии, поскольку, существуя, как тогда считалось, вечно, давно должна была достичь полной равновесности, т.е. «тепловой смерти».

Второе обстоятельство первым попытался объяснить Л.Больцман [см. Хайтун, 2005, с.33-34]. Он выдвинул флуктуационную гипотезу, согласно которой Вселенная в целом находится в равновесном состоянии, но нас окружает гигантская флуктуация, состояния тел в которой крайне маловероятны. Большинство учёных отрицательно отнеслись к этой гипотезе. В Большой Советской Энциклопедии в её опровержение приводится ссылка на работу Р. Толмена [1928], показавшего, что с учётом релятивистских эффектов гравитации энтропия Вселенной может расти неограниченно. Этот факт опровергает неизбежность тепловой смерти и «отменяет» необходимость флуктуационной гипотезы, но вовсе не её саму.

С точки зрения современной науки гипотеза Больцмана уже не кажется сомнительной. Признание Большого взрыва, при котором энтропия была равна или близка к нулю, снимает необходимость поиска иной предельной точки флуктуации. Что бы ни было до, после взрыва энтропия Вселенной неуклонно растёт.

Другие заметки об общей теории эволюции систем:
Эскиз общей теории эволюции систем (http://proza.ru/2020/06/16/1776)
Эволюция и энтропия. «Тепловая смерть» Вселенной (эта заметка)
Э.Шрёдингер и эволюция, С. Хайтун и беспорядок (http://proza.ru/2020/06/17/11)
Что такое информация? Взгляд эволюциониста (http://proza.ru/2020/06/17/33)
Ценность информации.Целеполагание произвольной системы (http://proza.ru/2020/06/17/36)
Что такое сложность? Взгляд эволюциониста(http://proza.ru/2020/06/17/47)
Активные связи. Кооперация и конкуренция (http://proza.ru/2020/06/17/54)
Пассивные связи: границы и ограничения (http://proza.ru/2020/06/17/58)
Из чего состоит и куда идёт эволюция?(http://proza.ru/2020/07/23/700)
Общая теория эволюции систем. Некоторые итоги (http://proza.ru/2020/06/17/73)

Волькенштейн, М.В., 1986, «Энтропия и информация», М.: Наука.

Ландау, Л.Д., Лифшиц, Е.М., 1976, «Теоретическая физика». «Статистическая физика. Часть I.», 3-е изд., М.: Наука, 1976, (т. V),

Толмен,, Р., 1928, «Относительность, термодинамика и космология», рус.пер. 1974.

Источник

Энтропия и тепловая смерть вселенной

Демон Максвелла

Представим себе некоторое устройство, способное различать отдельные молекулы. Такое устройство называется «Демоном» Максвелла. Поместим это устройство в отверстие стенки, разделяющее на две равные части сосуд с газом. Пусть вначале давление и температура в обеих частях сосуда. Теперь пусть устройство пропускает быстрые молекулы в одну сторону, а медленные в другую. Это означает, что температура газа в одной половинке сосуда станет больше, чем в другой, что находится в противоречии со вторым началом термодинамики. На самом деле никакого противоречия здесь нет. Это устройство должно быть микроскопическим, поскольку должно приводиться в действие ударами молекул, и оно должно участвовать в беспорядочных тепловых движениях молекул. Поэтому отверстие должно открываться совершенно хаотично, поэтому по нему в обе стороны будут проходить как быстрые, так и медленные молекулы.

В работе «О различных удобных формах основных уравнений механической теории тела» Клаузиус дал краткие формулировки I и II законов ТД.

I закон ТД: Энергия Вселенной постоянна

II закон ТД: Энтропия Вселенной стремится к максимуму.

Неизбежное возрастание энтропии изолированной системы при самопроизвольных необратимых процессах в ней было необоснованно возведено Клаузиусом в универсальный физический закон, не знающий ограничений, и поставлено в ряд с законом сохранения энергии. Оба эти закона, по Клаузиусу, в равной мере определяют состояние Вселенной: «Энергия Вселенной остается постоянной, энтропия Вселенной стремится к максимуму». Это значит, что всегда и везде во Вселенной имеют место превращения всех видов энергии в теплоту и постепенное выравнивание температур.

Таким образом, согласно Клаузиусу, все процессы, протекающие во Вселенной, должны со временем привести Вселенную к такому состоянию, при котором все жизненные системы замрут. Такое состояние принято называть смертью Вселенной. Утверждение Клаузиуса дало почву для появления теории «тепловой смерти» Вселенной. Концепция «тепловой смерти» неминуемо приводит к признанию начала в существовании Вселенной (т.е. Вселенная живет недолго и еще не пришла в состояние тепловой смерти), или кто-то со стороны вмешивается в эволюцию вселенной не давая ей развиваться в состояние тепловой смерти. «Эта неизбежная судьба, предвидимая для вселенной, красноречиво свидетельствует о существовании Высшего Существа» заявил папа Пий XII на заседании Ватиканской Академии наук в ноябре 1951 г.

Больцман в ответ на теорию «тепловой» смерти высказал мысль, что эта теория противоречит статистическому толкованию энтропии. Поэтому, если и обычная термодинамика, и статистика в равной мере применимы к бесконечной системе, которой является Вселенная, то и тогда на их основе невозможно прийти к выводу о «тепловой смерти». Действительно, в такой системе имели бы место флуктуации, т.е. случайные отклонения системы от равновесного состояния, размеры которых в масштабе Вселенной могли бы быть значительными, по крайней мере, в сравнении с размерами нашего мира. Т. е. согласно Больцману, Вселенная находится в состоянии термодинамического равновесия, но в ней возможны флуктуации, в одной из которых мы и живем.

Против флуктуационной гипотезы Больцмана был выдвинут ряд возражений. Основным возражением было то, что вероятность больших флуктуаций очень и очень мала.

Ни концепция тепловой смерти, ни флуктуационная гипотеза не учитывают специфики Вселенной, как гравитирующую системы. В то время как для идеального газа наиболее вероятным является равномерное распределение частей в пространстве в системе гравитирующих частиц, однородное распределение не соответствует максимальной энтропии. В силу этого, образование звезд и галактик является естественным процессом, идущим с возрастанием энтропии. В настоящее время вопрос о тепловой смерти системы стоит иначе, чем во времена Клаузиуса и Больцмана. В соответствии с современными данными, наша метагалактика является расширяющейся системой, следовательно, является нестационарной. Поэтому, вопрос о тепловой смерти системы нельзя даже и ставить. Необратимое возрастание энтропии в замкнутых системах обусловливает отличие будущих событий от предыдущих.

Это привело некоторых ученных к мысли использования II начала термодинамики для определения роста времени. В работах 1960-63 гг. американский ученый Хойл предлагал определять в положительном направлении течения времени по расширению Вселенной. Если до этого Вселенная сжималась, то по Хойлу, время текло в обратную сторону. Здесь нарушаются логические законы для причинного порядка, не явно используются понятия внешнего порядка. Связь между ними необходимо вывести.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Энтропийная смерть

Предположим на минуту, что средняя плотность Вселенной меньше критической величины. Поскольку содержание материи-энергии определяет искривленность пространства-времени, мы обнаруживаем, что материи-энергии недостаточно, чтобы сделать обратимым коллапс Вселенной. В таком случае Вселенная будет беспрепятственно расширяться, пока температура в ней не достигнет почти абсолютного нуля. При этом возрастает энтропия (которая измеряет степень хаоса или беспорядка во Вселенной). В конце концов Вселенную ждет энтропийная смерть.

Английский физик и астроном сэр Джеймс Джинс еще на рубеже нынешнего века писал об окончательной гибели Вселенной, называя это явление «тепловая смерть»: «Второй закон термодинамики предполагает, что конец у Вселенной может быть только один — „тепловая смерть“ при температурах настолько низких, что жизнь при них невозможна»[157].

Для того чтобы понять, как происходит энтропийная смерть, важно знать три закона термодинамики, которые управляют всеми химическими и ядерными процессами на Земле и звездах. Британский ученый и писатель Чарльз Сноу нашел оригинальный способ запоминания этих трех законов:

1. Нельзя победить (т. е. нельзя получить что-то без ничего, так материя и энергия сохраняются).

2. Нельзя сыграть вничью (нельзя вернуться в прежнее энергетическое состояние, поскольку беспорядок, энтропия всегда нарастают).

3. Нельзя выйти из игры (потому что абсолютный нуль недостижим).

Для смерти Вселенной наиболее важен второй закон, который гласит, что любой процесс дает прирост количества беспорядка (энтропии) во Вселенной. В сущности, второй закон термодинамики — неотъемлемая часть нашей повседневной жизни. Представьте себе, как добавляете сливки в чашку с кофе. Порядок (кофе и сливки в отдельной посуде) естественным образом сменяется беспорядком (произвольно смешанные сливки и кофе). Но процесс, обратный энтропии, — восстановление порядка из хаоса — чрезвычайно сложен. «Разделить» смешанные жидкости и поместить их в разную посуду невозможно без сложных химических преобразований. Точно так же горящая сигарета наполняет дымом пустую комнату и увеличивает в этой комнате энтропию. Порядок (табак и бумага) снова превращается в беспорядок (дым и пепел). Процесс, обратный энтропии, т. е. втягивание дыма в сигарету и превращение пепла в табак, невозможен даже в самой лучшей химической лаборатории планеты.

Аналогично, всем известно, что разрушать проще, чем строить. Строительство дома может занять целый год, а огню хватает одного-двух часов, чтобы разрушить его. Понадобилось почти 5000 лет, чтобы преобразить кочующие группы охотников в великую цивилизацию ацтеков, которая процветала в Мексике и Центральной Америке и возводила величественные памятники своим богам. Но Кортесу и конкистадорам понадобилось всего несколько месяцев, чтобы разделаться с цивилизацией ацтеков.

Энтропия неуклонно растет как на звездах, так и на нашей планете. В конечном итоге это означает, что звезды исчерпают запасы своего ядерного топлива и угаснут, превратившись в мертвые массы ядерного вещества. Звезды одна за другой перестанут мерцать, Вселенная потемнеет.

Благодаря своим знаниям об эволюции звезд мы можем нарисовать довольно мрачную картину смерти Вселенной. Все звезды станут черными дырами, нейтронными звездами или холодными белыми карликами (в зависимости от их массы), и это произойдет в пределах 10 24 лет после того, как их ядерные топки погаснут. Энтропия будет нарастать по мере скольжения звезд вниз, по кривой энергии связи, до тех пор, пока ядерное топливо не истощится окончательно. В пределах 10 32 лет все протоны и нейтроны во Вселенной наверняка распадутся. Согласно теориям Великого объединения, протоны и нейтроны нестабильны при больших промежутках времени. Это означает, что в конце концов вся материя, известная нам, в том числе Земля и Солнечная система, распадется на мелкие частицы — электроны и нейтрино. Таким образом, разумные существа ждет малоприятная перспектива: протоны и нейтроны в их организме распадутся. Организм разумных существ уже не будет состоять из привычных 100 химических элементов, нестабильных на протяжении длительного времени. Разумной жизни придется найти способ создавать себе новые тела из энергии, электронов и нейтрино.

По прошествии невероятного множества лет — 10 100 (гугол) температура во Вселенной почти достигнет абсолютного нуля. Разумная жизнь в этом мрачном будущем столкнется с перспективой вымирания. Не сумев подобраться ближе к звездам, представители разумной жизни замерзнут насмерть. Но даже в пустынной холодной Вселенной при температурах, близких к абсолютному нулю, останется еще один, последний источник энергии — черные дыры. Согласно космологу Стивену Хокингу, черные дыры не сплошь черные: на протяжении длительного времени энергия постепенно вытекает из них в космос.

В отдаленном будущем черные дыры могут стать спасителями человечества, так как они излучают энергию, испаряясь. Разумная жизнь неизбежно будет скапливаться вблизи черных дыр и получать от них энергию, чтобы приводить в действие машины. Как мерзнущие бездомные жмутся к угасающему костру, так и разумные цивилизации сократятся до жалких и убогих поселений возле черной дыры[158].

Но что же, спросите вы, будет дальше, по прошествии 10 100 лет, когда запасы энергии испаряющихся черных дыр иссякнут? Астрономы Джон Барроу из Университета Суссекса и Джозеф Силк из Калифорнийского университета в Беркли предупреждают, что имеющиеся у нас на сегодняшний момент знания не дают ответа на такой вопрос. В таком временном масштабе квантовая теория, к примеру, оставляет открытым вопрос о возможности туннелирования нашей Вселенной в другую вселенную.

Вероятность событий такого рода исключительно мала, их понадобится ждать на протяжении периода, превышающего продолжительность жизни нашей нынешней Вселенной, так что нам незачем беспокоиться о том, что реальность коллапсирует при нашей жизни, а вместе с этим коллапсом появится и новый свод физических законов. Но если речь идет о промежутке продолжительностью 10 100 лет, тогда даже такие редкие космические квантовые события не следует сбрасывать со счетов.

Барроу и Силк добавляют: «Где есть квантовая теория, там есть и надежда. Мы не можем быть абсолютно уверенными в том, что „тепловая смерть“ неизбежна, так как не можем с полной определенностью предсказать будущее квантовомеханической Вселенной; ибо в бесконечном квантовом будущем все, что может произойти, в конце концов произойдет»[159].

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Тепловая смерть вселенной по закону энтропии

Эволюция и энтропия. Тепловая смерть Вселенной

Энтропия и тепловая смерть вселенной

Энтропийная смерть

Читайте также

Смерть теории Калуцы-Клейна

Смерть Солнца Порой ученые задаются

Смерть галактики

Глава четвертая. «ТЕПЛОВАЯ СМЕРТЬ ВСЕЛЕННОЙ», БИОЛОГИЯ, ТЕПЛОВОЙ НАСОС

4.1. «Тепловая смерть Вселенной» и ppm-2

Рождение и смерть флогистона

3. Жизнь и смерть звезды

Звездная смерть: белые карлики, нейтронные звезды и черные дыры