Вселенная как замкнутая система

Вы можете приложить к своему отзыву картинки.

Источник

Астрономы доказали, что Вселенная замкнута. Что? Нет!

На этой неделе в журнале Nature Astronomy была опубликована статья, авторы которой утверждают о наличии небольшой глобальной положительной кривизны пространства. Эта новость получила широкую огласку как в зарубежных, так и в российских СМИ, причем ее обычно преподносят как прояснение формы Вселенной. Мы попросили постдока Университета Нью-Йорка Михаила Иванова прокомментировать эту работу.

Обработанная с помощью нейросетевого алгоритма Deep Dream карта линий галактического магнитного поля, полученная при анализе реликтового излучения

ESA / Planck Collaboration / Deep Dream Generator

Бурное развитие наблюдательной космологии, продолжающееся на протяжении последних десятилетий, позволило измерить фундаментальные параметры, описывающие нашу Вселенную, несколькими различными способами с процентной точностью.

Если существуют слабые эффекты физики за рамками стандартной космологической модели, то они могут проявиться в наблюдениях уже сейчас. С другой стороны, на достигнутом уровне точности многие систематические ошибки измерений начинают превосходить статистические, и поэтому проявление систематических эффектов можно ошибочно принять за сигнал новой физики.

В связи с этим весьма важно прояснить статистические аномалии в космологических данных, которые имеются уже сейчас. Наиболее важные из них — это противоречивые измерения постоянной Хаббла и амплитуды возмущений крупномасштабной структуры Вселенной, связанные также с аномалией линзирующего потенциала микроволнового излучения. Первый эффект уже был подробно описан и неоднократно освещался в материалах N+1 .

Что касается второго эффекта, то он заключается в следующем. Гравитационное линзирование фотонов реликтового излучения (РИ) структурами на малых красных смещениях приводит к размытию пиков барионных акустических осцилляций (БАО) в спектре флуктуаций температуры. Этот эффект можно понять так: траектории фотонов РИ искажаются из-за наличия структур случайным образом, вследствие этого корреляция между ними ослабевает, и некоторые особенности в спектре, такие как БАО, ослабевают.

Также гравитационное линзирование можно воспринимать как диффузию фотонов, которая размывает БАО аналогично тому, как диффузия разрушает акустические волны в обычной жидкости. Этот эффект может быть аккуратно вычислен, однако, наблюдаемое размытие, измеренное «Планком», оказалось существенно сильнее, чем предсказывается в рамках стандартной космологической модели ΛCDM.

Величину этого эффекта можно выразить через нефизический параметр A_lens, который должен быть равен единице в ΛCDM. Любопытно, что в последнем релизе «Планка» A_lens отличен от 1 на уровне статистической значимости в 3 сигма. При этом размытие пиков микроволнового излучения имеет место только на малых угловых масштабах (меньше 1/800 радиана).

Аномальное размытие представляет собой одну из причин того, что космологические параметры, измеряемые из спектров мощности флуктуаций температуры и поляризации на малых угловых масштабах, расходятся на уровне 3 сигма с параметрами, извлекаемыми из флуктуаций на больших угловых масштабах. Это несоответствие, однако, обычно интерпретируется как статистическая флуктуация. Такой точки зрения придерживаются многие космологи, в том числе участники коллаборации «Планк».

Это связано с тем, что «Планк» совершает множество независимых измерений, при которых отклонения на уровне 3 сигм обязаны происходить (look elsewhere effect). Сильным указанием на то, что это действительно флуктуация, является прямое измерение линзирующего потенциала РИ, которое отлично согласуется с предсказанием ΛCDM.

Размытие пиков и линзирование карт РИ являются двумя независимыми способами измерения одного и того же линзирущего потенциала. Не существует физической модели, которая бы приводила к разным искажениям в результатах этих двух измерений. Таким образом, наличие разногласия между ними может быть либо систематикой, либо флуктуацией, но никак не новой физикой.

Недавно опубликованная статья ученых под руководством Джозефа Силка (Joseph Silk) из Парижского института астрономии также касается эффект разногласия между измеряемыми «Планком» космологическими параметрами на больших и малых угловых масштабах.

Сразу необходимо заметить, что авторы используют только информацию о температуре и поляризации, игнорируя при этом измерения линзирующего потенциала. Если исследовать только выбранные данные, то предположение о наличии положительной пространственной кривизны позволяет снять разногласие между большими и малыми мультиполями. При этом отличие кривизны от нуля значимо на уровне 3 сигма.

Это наблюдение не ново и уже было сделано в статьях коллаборации «Планк». В новой работе ученые явно показывают, что при добавлении кривизны аномальное линзирование пропадает. Тем не менее, предложенная ими модель приводит к усилению других разногласий. Во-первых, она не сопоставима с измерением барионных акустических осцилляций в распределении структур на малых красных смещениях (SDSS, BOSS, eBOSS). Во-вторых, усиливается расхождением с прямым измерением линзирующего потенциала РИ.

В-третьих, усиливается расхождение с измерением слабого линзирования галактик обзором KiDS. В-четвертых, модель с кривизной предсказывает значение постоянной Хаббла на уровне 55 км/с/Мпк, что сильнее расходится с локальными измерениями, чем результаты оригинального анализа данных «Планка», то есть усугубляет напряженность Хаббла.

Таким образом, модель с кривизной находится в сильном противоречии с космологическими данными на малых красных смещениях. При этом надо иметь в виду, что вклад кривизны становится важен именно на малых красных смещениях, и поэтому данные измерения более чувствительны к ней, и они-то как раз предпочитают нулевую кривизну.

Основывать утверждения о кривизне только на данных «Планка» по температуре и поляризации при игнорировании данных линзирования, БАО и сверхновых методологически неправильно, и именно поэтому коллаборация «Планк» не делала сильных утверждений из того факта, что данные по РИ на больших красных смещениях предпочитают ненулевую кривизну.

Как только все данные объединены, кривизна становится равна нулю с большой статистической значимостью. Кроме того, модель с кривизной усиливает несогласие между разными независимыми измерениями космологических параметров настолько, что эти несоответствия нельзя больше рассматривать как статистические флуктуации. С этой точки зрения более предпочтительной моделью должна быть та, которая минимизирует несогласие, и такая модель есть — это обычная плоская ΛCDM с параметрами «Планка».

Резюмируя, опубликованная статья делает громкие утверждения на основе методологически неправильных манипуляций с данными, что не позволяет относится к полученным результатам как к надежным. Эта ситуация также указывает на слабый процесс реферирования в Nature Astronomy, который в данном случае повел себя как типичный «мусорный журнал».

Источник

Второе начало термодинамики: вечный двигатель второго рода и тепловая смерть Вселенной

• 12 Январь 2021
• 14 минут
• 12 813

Пришла пора разобраться со вторым фундаментальным постулатом термодинамики, который именуется второе начало термодинамики. Второе начало не является доказуемым в рамках классической термодинамики. Его формулировки – результат обобщения опытов, наблюдений и экспериментов. Попытаемся рассказать о нем кратко и понятно.

В прошлой статье по термодинамике мы говорили о термодинамических системах, состоящих из большого числа частиц. Для описания подобных систем используются так называемые функции состояния.

Термодинамическая функция состояния (или термодинамический потенциал) – это функция, зависящая от нескольких независимых параметров, определяющих состояние системы. Чтобы было понятнее, приведем пример. Одна из функций состояния системы – это ее внутренняя энергия. Она не зависит от того, как именно система оказалось в данном состоянии

Энтропия

Еще одно понятие, с которым нужно познакомиться – это энтропия. Для понимания второго начала термодинамики энтропия очень важна. А еще это красивое слово, которое многих ставит в ступор и которым можно блеснуть в компании.

В самом общем случае, энтропия – мера хаотичности некоторой системы

Энтропия

Простой пример : представим, что у вас есть ящик с носками. Если все носки в ящике разбросаны и валяются вперемешку и по одному, энтропия такой системы максимальна. А если носки собраны по парам и лежат аккуратненько в рядок — минимальна.

В термодинамике, энтропия – это функция состояния термодинамической системы, которая определяет меру необратимого рассеивания энергии. Что это значит? Это значит, что какая-то часть внутренней энергии системы не может перейти в совершаемую системой механическую работу. Например, процесс преобразования теплоты в механическую работу всегда сопровождается потерями, в результате которых теплота трансформируется в другие виды энергии.

Энтропия при необратимых термодинамических процессах увеличивается, а при обратимых – остается постоянной. Математическая запись энтропии (S):

Здесь дельта Q – количество теплоты, подведенное или отведенное от системы, T – температура системы, dS – изменение энтропии.

Существует несколько различных формулировок второго начала термодинамики, и вот одна из них:

Энтропия замкнутой системы возрастает при любых необратимых процессах в этой системе

Так как нас интересует именно понимание сути вещей, приведем еще одно самое простое определение:

Невозможен процесс, единственным результатом которого является передача энергии в форме теплоты от холодного тела к горячему

К слову, данная формулировка второго начала термодинамики принадлежит Рудольфу Клаузиусу, который и ввел в обиход понятие энтропии.

Невозможен процесс, единственным результатом которого является передача энергии в форме теплоты от холодного тела к горячему

И снова вечный двигатель

После разочарования с идеей вечного двигателя первого рода люди и не думали сдаваться. Через какое-то время был придуман вечный двигатель второго рода, работа которого основывалась на передаче тепла и не перечила закону сохранения энергии. Такой двигатель преобразует все тепло, полученное от окружающих тел, в работу. Например, в качестве его реализации предполагалось путем охлаждения океана получить огромное количество теплоты. Но к счастью до охлаждения океана и заморозки рыб дело не дошло, т.к. данная идея противоречит второму началу динамики. КПД любой машины не может быть равен единице, также как тепло не может быть преобразовано в работу полностью. Так что сколько ни старайтесь, а вечный двигатель второго рода создать невозможно, так же как и вечный двигатель первого рода.

Тепловая смерть Вселенной

После введения Рудольфом Клаузиусом понятия энтропии в 1865 году возникло множество споров, домыслов и теорий, связанных с этим понятием. Одна из них – гипотеза о тепловой смерти Вселенной, сформулированная самим Клаузиусом на основе второго начала термодинамики.

Рудольф Клаузиус (1822-1888)

Данная теория, сформулированная Клаузиусом, гласит, что Вселенная, как любая замкнутая система, стремится к состоянию термодинамического равновесия, характеризующемуся максимальной энтропией и полным отсутствием макроскопических процессов, что в свою очередь обессмысливает привычное нам понятие времени. По Клаузиусу: «Энергия мира остается постоянной. Энтропия мира стремиться к максимуму». Это означает, что когда Вселенная придет в состояние термодинамического равновесия, все процессы прекратятся и мир погрузиться в состояние «тепловой смерти». Температура в любой точке Вселенной будет одной и той же, более не будет каких-либо причин, способных вызвать возникновение каких бы то ни было процессов.

Концепция тепловой смерти вселенной еще в недалеком прошлом была довольно широко распространена и являлась предметом активных дискуссий. Так, в книге Джинса «Universe around us» (1932г.) можно найти следующие строки касательно тепловой смерти Вселенной: «Вселенная не может существовать вечно; рано или поздно должно наступить время, когда ее последний эрг энергии достигнет наивысшей степени на лестнице падающей полезности, и в этот момент активная жизнь Вселенной должна будет прекратиться».

Где-то во Вселенной

При выводе своей теории Клаузиус прибегал в своих рассуждениях к следующим экстраполяциям (приближениям):

1. Вселенная рассматривается как замкнутая система.
2. Эволюция мира может быть описана как смена его состояний.

Интересный факт : рассуждения о тепловой смерти позволили церкви заявить, что с научной точки зрения (в том числе и благодаря теории Клаузиуса) можно найти предпосылки, указывающие на существование бога. Так, в 1952 году на заседании «папской академии наук» папа Пий 12-й в своей речи сказал: «Закон энтропии, открытый Рудольфом Клаузиусом, дал нам уверенность, что спонтанные природные процессы всегда связаны с некоторой потерей свободной, могущей быть использованной энергии, откуда следует, что в замкнутой материальной системе в конце концов эти процессы в макроскопическом масштабе когда-то прекратятся. Эта печальная необходимость. красноречиво свидетельствует о существовании Необходимого Существа».

Опровержение теории тепловой смерти Вселенной

Как уже отмечалось выше Клаузиусом, при выводе его теории применялись определенные экстраполяции. Сегодня несмотря на некоторые сложности можно с уверенностью сказать, что подобные выводы являются антинаучными. Дело в том, что существуют определенные границы применимости второго начала термодинамики: нижняя и верхняя. Так, второе начало термодинамики не может быть применено для описания микросистем, размеры которых сравнимы с размерами молекул, и для макросистем, состоящих из бесконечного числа частиц, т.е. для Вселенной в целом.

Второе начало термодинамики не применимо ко Вселенной как замкнутой системе

Собственно первым ученым, установившим статистическую природу второго начала термодинамики и противопоставившим теории тепловой смерти Вселенной так называемую флуктуационную гипотезу, был выдающийся физик-материалист Больцман. Имеет место формула Больцмана, позволяющая дать статистическое истолкование второму началу термодинамики

Здесь S – энтропия системы, k – постоянная Больцмана, P – термодинамическая вероятность состояния, определяющая число микросостояний системы, соответствующих данному макросостоянию. Согласно формуле Больцмана,

То есть термодинамическая вероятность состояния изолированной системы при всех происходящих в ней процессах не может убывать. Однако т.к. для систем, состоящих из бесконечного числа частиц, все состояния будут равновероятными , вышеописанное соотношение неприменимо ко Вселенной. В подобных системах имеют место значительные флуктуации (флуктуация – отклонение истинного значения некоторой величины от ее среднего значения), представляющие собой отклонения от второго начала термодинамики. Согласно Больцману, состояние термодинамического равновесия представляет собой лишь наиболее часто встречающееся и наиболее вероятное; наряду с этим в равновесной системе могут самопроизвольно возникнуть сколь угодно большие флуктуации. То есть во Вселенной, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, постоянно возникают флуктуации, причем одной такой флуктуацией является та область пространства, в которой находимся мы.

Людвиг Больцман (1844-1906)

Современный подход безусловно отвергает теорию тепловой смерти Вселенной. Учитывая огромный возраст Вселенной и тот факт, что она не находится в состояние тепловой смерти, можно сделать вывод о том, что во Вселенной протекают процессы, препятствующие росту энтропии, т.е. процессы с отрицательной энтропией. Однако выводам Больцмана о том, что во Вселенной преобладает состояние термодинамического равновесия, все более противоречит растущий экспериментальный материал астрономии. Материя обладает никогда не утрачиваемой способностью к концентрации энергии и превращения одних форм движения в другие. Так, например, процесс образования из рассеянной материи звезд подчиняется определенным закономерностям и не может быть сведен исключительно к случайным флуктуациям распределения энергии во Вселенной.

Дорогие друзья! Сегодня мы по возможности выяснили, какой смысл имеет понятие энтропии для второго начала термодинамики, узнали, что вечный двигатель второго рода невозможен, а также порадовались, что тепловой смерти Вселенной все-таки не случится. Мы как всегда надеемся на то, что вам понравилась наша статья, в которой мы старались рассказать о термодинамике просто, понятно и интересно. Желаем успехов в учебе и напоминаем – подсказать, помочь, проконсультировать и взять часть нагрузки на себя всегда готовы наши специалисты. Учитесь и живите в свое удовольствие!

Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.

Источник