Тепловая смерть вселенной термодинамический парадокс больцмана
«Смотри — лучи солнца, не могут пробиться сквозь серое небо
и все твои мысли, молитвы о помощи.
Пути пройдены, нам некуда бежать. И осторожно, касаясь пальцем звезд,
Я понимаю … но, неизбежно то, что слишком поздно…»
Английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин), один из основателей термодинамики в 1852 году выдвинул гипотезу о тепловой смерти Вселенной.
«Тепловая смерть» — это термин в термодинамике, описывающий конечное состояние любой замкнутой термодинамической системы, когда все виды энергии переходят в тепловую энергию. При этом термодинамическая энтропия системы максимальна.
Тогда «тепловая смерть Вселенной» это состояние Вселенной, когда все виды энергии в ней перейдут в энергию теплового движения, которая равномерно распределится по всей Вселенной. После этого все термодинамические процессы во Вселенной должны прекратиться.
Томсон считал, что материальная Вселенная, то есть звезды, планеты и прочие небесные тела, является единой, замкнутой, изолированной системой. Ведь другой такой же Вселенной нет. А если так, то второе начало термодинамики полностью применимо ко всему космосу и, стало быть, в конце концов наш разнообразный и веселый мир ждет унылая «тепловая смерть».
В 1865 году известный физик Р. Клаузиус, основываясь на втором законе термодинамики сделал теоретический вывод о тепловой смерти Вселенной. Согласно второму началу термодинамики, любая замкнутая физическая система, т. е. не обменивающаяся энергией с другими системами, стремится к наиболее вероятному равновесному состоянию, т.е. к состоянию теплового равновесия, что соответствует максимуму энтропии.
Рудольф Клаузиус утверждал, что хотя энергия некоторой системы и остается постоянной (первое начало термодинамики), однако с течением времени она лишается способности к превращениям, а значит и способности совершать работу. Это означает, что всякая термодинамическая система со временем «деградирует», наступает «тепловая смерть».
Он согласился с выводом Томсона и написал: «…энтропия Вселенной стремится к некоторому максимуму. Чем больше Вселенная приближается к этому предельному состоянию, . тем больше исчезают поводы к дальнейшим изменениям, а если это состояние было бы наконец-то достигнуто, то больше не происходило бы никаких дальнейших изменений, и Вселенная находилась бы в некотором мертвом состоянии инерции».
Теория «тепловой смерти» находилась в противоречии с ньютоновской вечной Вселенной. Действительно, если рассмотреть Вселенную как изолированную термодинамическую систему, то, учитывая ее бесконечный возраст, на основании закона возрастания энтропии можно сделать вывод о достижении ею уже максимума энтропии, то есть состояния термодинамического равновесия. Но в реально окружающей нас Вселенной этого не наблюдается.
Попытка избежать указанного противоречия гипотезы тепловой смерти Вселенной была предпринята Больцманом, который предположил, что у системы и в состоянии термодинамического равновесия могут наблюдаться небольшие изменения — флуктуации термодинамических параметров (температуры, давления, объема).
Вселенная с энергетической точки зрения уже мертва, но отдельные ее области подвержены флуктуациям.
И наша часть бесконечной Вселенной, все пространство, до которого достигает взгляд человека, находится в режиме огромной, ныне затухающей флуктуации. А если считать, что наблюдаемая Вселенная является следствием такой флуктуации, то противоречия парадокса о тепловой смерти Вселенной исчезают.
В 1909 году против тепловой смерти выступил известный шведский ученый Сванте Август Аррениус, занимавшийся вопросами образования и эволюции небесных тел.
Аррениус писал: «Если бы Клаузиус был прав, то эта «смерть тепла» за бесконечно долгое время существования мира давно бы уже наступила, чего, однако, не случилось. Или нужно допустить, что мир существует не бесконечно долго и что он имел свое начало; это, однако, противоречит первой части положения Клаузиуса, устанавливающей, что энергия мира постоянна, — ибо тогда пришлось бы допустить, что вся энергия возникла в момент творения».
В 20 веке Общая Теория Относительности А. Эйнштейна разрешила многие противоречия, существовавшие в классической физике.
Однако и в наше время в науке нет единого мнения о строении Вселенной и ее возникновении. Хотя современной космологией однозначно установлено, что Вселенная, возраст которой определен в 13,72 млрд лет, не стационарна.
Среди ученых не утихают споры о будущем Вселенной, о ее «бесконечном расширении», о существовании «скрытой материи», огромное количество которой может опровергнуть современные представления о свойствах Вселенной.
А понятие «тепловой смерти Вселенной» стало первым шагом к осознанию возможной конечности существования Вселенной, хотя и неизвестно, когда и по какому сценарию возможна её гибель.
Источник: Википедия; Томилин «Занимательно о космологии»
Знаете ли вы?
. Знаете ли вы,что выдающемуся немецкому физику Г. Герцу удалось построить механику, совершенно не используя понятие силы. Однако формулировка основных положений механики настолько усложнилась, что вся схема Герца в целом не получила признания.
. Великий французский ученый Р. Декарт (1596 — 1650) предполагал, что существуют только такие силы, которые действуют при столкновениях частиц, — контактные силы.
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»>
Похожие статьи
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!
Источник