Термодинамический парадокс «Тепловая смерть Вселенной. Теория «тепловой смерти» Вселенной

Ограничение области знания лишь небольшой группой людей ослабляет философский дух народа и ведет к духовному обнищанию.

А. Эйнштейн

Классическая термодинамика оказалась не способной решить и космологические проблемы характера протекания процессов, происходящих во Вселенной. Уильям Томпсон экстраполировал принцип возрастания энтропии на крупномасштабные процессы, протекающие в природе. На основе этого Р. Клаузиус распространил этот принцип на Вселенную в целом, что привело его к гипотезе о "тепловой смерти Вселенной". Все физические процессы, согласно второму началу термодинамики, протекают в направлении передачи тепла от более горячих тел к менее горячим. Это означает, что медленно, но верно идет процесс выравнивания температуры во Вселенной. Следовательно, будущее вырисовывается перед нами в достаточно трагических тонах:

ожидается исчезновение температурных различий в природе и превращение всей мировой энергии в теплоту, равномерно распределенную во Вселенной. Отсюда Клаузиус выдвинул два постулата:

Энергия Вселенной всегда постоянна.

Энтропия Вселенной всегда растет к максимуму.

Если принять второй постулат, то необходимо признать, что процессы во Вселенной направлены в сторону достижения состояния термодинамического равновесия, соответствующего максимуму энтропии, а следовательно, состояния, характеризуемого наибольшей степенью хаоса, беспорядка и дезорганизации. В таком случае во Вселенной наступит тепловая смерть и никакой полезной работы в ней произвести будет нельзя.

Вытекающий отсюда вывод о грядущей тепловой смерти Вселенной, означает прекращение каких-либо физических процессов вследствие перехода Вселенной в равновесное состояние с максимальной энтропией. На протяжении всего дальнейшего развития этот вывод привлекает внимание ученых, ибо затрагивает не только глубинные проблемы чисто научного характера, но также философско-мировоззренческие аспекты, указывающие определенную верхнюю границу возможного существования человечества. Такие мрачные прогнозы встретили критику со стороны ряда выдающихся ученых. Однако в середине XIX в. мало было научных аргументов для опровержения мнения Р. Клаузиуса. Только единицы догадывались, что понятие закрытой, или изолированной, системы является далеко идущей абстракцией, не отражающей реальный характер систем, которые встречаются в природе.

С научной точки зрения возникают проблемы правомерности следующих экстраполяций, высказанных Клаузиусом:

Вселенная рассматривается как замкнутая система.

Эволюция мира может быть описана как смена его состояний.

Для мира как целого состояние с максимальной энтропией имеет смысл, как и для любой конечной системы.

Проблемы эти представляют несомненную трудность и для современной физической теории. Решение их следует искать в общей теории относительности и развивающейся на ее основе современной космологии. Многие теоретики считают, что в общей теории относительности мир как целое должен рассматриваться не как замкнутая система, а как система, находящаяся в переменном гравитационном поле. В связи с этим применение закона возрастания энтропии не приводит к выводу о необходимости в нем статистического равновесия.

Проблему будущего развития Вселенной пытался разрешить и Больцман, применивший к замкнутой Вселенной понятие флуктуации. Под флуктуацией какой-то физической величины понимается отклонение истинного значения данной величины от ее среднего значения, обусловленного, например, хаотическим тепловым движением частиц системы. Больцман принял ограничение Максвелла, согласно которому для небольшого числа частиц второе начало термодинамики не должно применяться, ибо в случае небольшого числа молекул нельзя говорить о состоянии равновесия системы. При этом он использует это ограничение для Вселенной, рассматривая видимую часть Вселенной как небольшую область бесконечной Вселенной. Для такой небольшой области допустимы небольшие флуктуационные отклонения от равновесия, благодаря чему в целом исчезает необратимая эволюция Вселенной в направлении к хаосу.

К сожалению, мечта Больцмана не сбылась в полной мере. Ему не удалось найти ключ к объединению динамики и второго начала термодинамики, а предлагаемая флуктуационная модель эволюции Вселенной имела всего лишь характер гипотезы. Скептическое отношение многих ученых к атомистической теории Больцмана (сам он был убежден в том, что отстаиваемое им учение об атомах завоюет признание через много десятков лет), трудности с определением роли второго начала термодинамики в системе естествознания, а возможно, и ряд других причин привели этого замечательного ученого к трагическому концу. В 1906 году он покончил жизнь самоубийством.

XX век вносит коррективы в изучение проблем эволюции Вселенной. Формируется новое междисциплинарное направление - синергетика, и на его основе возникает теория самоорганизации сложных систем. В отличие от закрытых, или изолированных, реальными системами в природе являются открытые системы. Они обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией. Опыт и практическая деятельность свидетельствовали, что понятие закрытой, или изолированной, системы представляет собой далеко идущую абстракцию и потому она слишком упрощает и углубляет действительность, поскольку в ней трудно или даже невозможно найти системы, которые бы не взаимодействовали с окружающей средой. Поэтому в новой термодинамике место закрытой изолированной системы заняло принципиально иное фундаментальное понятие открытой системы, которая способна обмениваться с окружающей средой веществом, энергией и информацией.

Открытая система не может быть равновесной, потому что ее функционирование требует непрерывного поступления из внешней среды энергии или вещества, богатого энергией. В результате такого взаимодействия система, как указывал Эрвин Шредингер, извлекает порядок из окружающей среды и тем самым вносит беспорядок в эту среду. В открытых системах также производится энтропия, поскольку в них происходят необратимые процессы, но энтропия в этих системах не накапливается, как в закрытых системах, а выводится в окружающую среду. Поскольку энтропия характеризует степень беспорядка в системе, постольку можно сказать, что открытые системы живут за счет заимствования энергии или вещества из внешней среды. Очевидно, что с поступлением новой энергии или вещества неравновесность в системе возрастает. В конечном счете прежняя взаимосвязь между элементами системы, которая определяет ее структуру, разрушается. Между элементами системы возникают новые связи, которые приводят к кооперативным процессам, т. е. к коллективному поведению ее элементов. Так, схематически могут быть охарактеризованы процессы самоорганизации открытых систем.

Как отмечает основоположник теории самоорганизации И. Р. Пригожин, переход от термодинамики равновесных состояний к термодинамике неравновесных процессов, несомненно, знаменует прогресс в развитии ряда областей науки.

ВЫВОДЫ

1. Детерминизм - это учение о всеобщей закономерной связи явлений и процессов в окружающем мире. Причинность является одной из форм проявления детерминизма. Исторически в науке сложились два основных типа причинно-следственных связей и соответственно два типа закономерностей - динами ческие и статистические (вероятностные).

2. Современную концепцию детерминизма можно сформиро вать следующим образом: динамические законы представляют собой первый, низший этап в процессе познания окружающего нас мира; статистические законы более совершенно отображают объективные связи в природе: они являются следующим, более высоким этапом познания.

3. Наиболее ярко динамический и статистический де терминизм проявляется при рассмотрении тепловых про цессов. Динамический подход характерен термодинамике. Молекулярно-кинетическая теория использует статистичес кий метод, интересуясь не движением отдельных молекул, а только средними величинами, которые характеризуют дви жение огромной совокупности частиц. Поэтому при изучении тепловых явлений в науке используют два направления: статистические законы и термодинамические законы, изуча ющие тепловые процессы без учета молекулярного строения вещества.

4. Если к системе подводится тепло и над ней производится работа, то энергия системы возрастает до величины, равной сумме этих величин. Невозможно осуществить процесс, единс твенным результатом которого было бы превращение тепла в работу при постоянной температуре. Тепло не может перетечь самопроизвольно от холодного тела к горячему.

Энтропия есть мера неупорядоченности системы. Энтропия замкнутой системы, т. е. системы, которая не обменивается с окружением ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает.

Основываясь на связи энтропии с вероятностью, Больцман сформулировал, что природа стремится перейти из состояния менее вероятного в состояние более вероятное. Энтропия системы, находящейся в равновесном состоянии, максимальна и постоянна.

Второе начало термодинамики устанавливает в природе наличие фундаментальных асимметрий, т. е. однонаправленности всех происходящих самопроизвольных процессов. Об этой асимметрии, выделенной Клаузиусом и Кельвином, говорят все окружающие нас явления. Хотя количество энергии в замкнутых системах сохраняется, распределение энергии меняется необратимым способом. Распространение принципа возрастания энтропии на всю Вселенную привело Клаузиуса и Кельвина к гипотезе "тепловой смерти Вселенной".

Большинство систем являются открытыми, т. е. обменивающимися энергией или веществом с окружающей средой, поэтому понятие термодинамики расширялись для открытых систем. Энтропия в открытых системах может возникать и переноситься.

В стационарных неравновесных состояниях производится минимальная величина энтропии, что отражает внутреннюю инерцию и устойчивость систем, поэтому, если какие-то внешние условия не позволяют системе перейти в устойчивое равновесие, она перейдет в стационарное с минимальным производством энтропии - теорема Пригожина.

Вопросы для контроля знаний

Чем отличаются универсальные законы от статистических?

Почему лапласовский детерминизм оказался несостоятельным?

Почему причинность не совпадает с детерминизмом в целом?

Как можно было бы определить современный детерминизм?

Какие процессы называются обратимыми?

Что выражает первый закон термодинамики?

Дайте простую формулировку второго закона термодинамики.

Как можно сформулировать этот же закон с помощью понятия энтропии?

Как происходит эволюция в закрытых системах?

Кто впервые выдвинул идею "тепловой смерти Вселенной" и в чем ее несостоятельность по современным представлениям?

Как происходит самоорганизация в открытых системах?

Наиболее заметная теория о том, как началась Вселенная Большого Взрыва, где вся материя сначала существовала как сингулярность, бесконечно плотная точка в крошечном пространстве. Потом что-то привело ее к взрыву. Материя расширилась с невероятной скоростью и в конечном итоге сформировала Вселенную, которую мы видим сегодня.

Большое Сжатие, как вы могли догадаться, противоположность Большого Взрыва. Все, что разлетелось по краям Вселенной, под воздействием силы тяжести будет сжиматься. Согласно этой теории, гравитация замедлит расширение, вызванное Большим Взрывом и в конечном итоге все вернется обратно в точку.

1. Неизбежная тепловая смерть Вселенной.

Подумайте о тепловой смерти, как полной противоположности Большому Сжатию. В этом случае, сила тяжести не достаточно сильна, чтобы преодолеть расширение, так как Вселенная просто держит курс на расширение в геометрической прогрессии. Галактики отдаляться друг от друга, как несчастные влюбленные, и всеохватывающая ночь между ними становится все шире и шире.

Вселенная подчиняется тем же правилам, как и любая термодинамическая система, что в конечном итоге приведет нас к тому, что тепло равномерно распределится по всей Вселенной. Наконец, вся Вселенная погаснет.

1. Тепловая смерть от Черных дыр.

Согласно популярной теории, большинство материи во Вселенной вращается вокруг черных дыр. Просто посмотрите на галактики, которые содержат сверхмассивные черные дыр в их центрах. Большая часть теории черной дыры предполагает поглощение звезд или даже целых галактик, как они попадают в горизонт событий дыры.

В конце концов, эти черные дыры поглотят большую часть материи, и мы останемся в темной Вселенной.

1. Конец Времени.

Если что-то вечное, то это, безусловно, время. Есть ли Вселенная или нет, время все равно идет. В противном случае, не было бы никакого способа, чтобы различить один момент из следующего. Но что, если время упущено и просто замерло? Что делать, если не будет больше моментов? Просто один и тот же момент времени. Навсегда.

Предположим, что мы живем во Вселенной, время в которой никогда не заканчивается. С бесконечным количеством времени, все, что может случиться происходит со 100-процентной вероятностью. Парадокс же произойдет, если у вас есть вечная жизнь. Вы живете бесконечное время, поэтому все, что можно гарантированно произойдет (и произойдет бесконечное количество раз). Остановка времени тоже может случится.

1. Большое Столкновение.

Большое Столкновение похоже на Большое Сжатие, но гораздо более оптимистично. Представьте себе, тот же сценарий: Гравитация замедляет расширение Вселенной и все сжимается обратно в одну точку. В этой теории, сила этого быстрого сжатия достаточна, чтобы начать еще один Большой Взрыв, и Вселенная начинается снова.

Физикам не нравится это объяснение, так что некоторые ученые утверждают, что, возможно, Вселенная не пройдет весь путь обратно к сингулярности. Вместо этого, она сожмется очень сильно, а затем оттолкнется от силы, подобной той, что отталкивает мяч, когда вы его ударяете об пол.

1. Большой Разрыв.

Независимо от того, как заканчивается мир, ученые пока не чувствуют необходимость использовать (ужасно заниженное) слово «большой», чтобы описать его. В этой теории, невидимая сила называется «темная энергия», она вызывает ускорение расширения Вселенной, что мы и наблюдаем. В конце концов, скорости вырастут настолько, что материя начнет рваться на мелкие частицы. Но есть и светлая сторона этой теории, по крайней мере Большого Разрыва придется ждать еще 16 миллиардов лет.

1. Эффект Метастабильности Вакуума.

Эта теория зависит от идеи, что существующая Вселенная находится в крайне нестабильном состоянии. Если вы посмотрите на значения квантовых частиц физики, то можно сделать предположение, что наша Вселенная находится на грани устойчивости.

Некоторые ученые предполагают, что миллиарды лет спустя, Вселенная будет на грани разрушения. Когда это произойдет, в какой-то момент во Вселенной, появится пузырь. Подумайте об этом как об альтернативной Вселенной. Этот пузырь будет расширяться во всех направлениях со скоростью света, и уничтожать все, к чему прикасается. В конце концов, этот пузырь уничтожит все во Вселенной.

1. Временной Барьер.

Потому что законы физики не имеют смысла в бесконечной мультивселенной, единственный способ понять эту модель это предположить, если что есть реальная граница, физическая граница Вселенной, и ничто не может выйти за пределы. И в соответствии с законами физики, в ближайшие 3,7 млрд лет, мы пересечем временной барьер, и Вселенная кончится для нас.

1. Это не случится (потому что мы живем в мультивселенной).

По сценарию мультивселенных, с бесконечными Вселенными, эти Вселенные могут возникать в или из существующих. Они могут возникать из Больших Взрывов, уничтожаться Большими Сжатиями или Разрывами, но это не имеет никакого значения, так как новых Вселенных всегда будет больше, чем уничтоженных.

1. Вечная Вселенная.

Ах, вековая идея, что Вселенная всегда была, и всегда будет. Это одна из первых концепций, которую люди, создали о природе Вселенной, но есть и новый виток в этой теории, что звучит немного интересней, ну, серьезно.

Вместо сингулярности и Большого Взрыва, который положил начало самого времени, время мог существовать раньше. В этой модели, Вселенная циклична, и будет продолжать расширяться и сжиматься всегда.

В ближайшие 20 лет мы с большей уверенностью сможем сказать, какая из этих теорий наиболее соответствует реальности. И возможно, найдем ответ на вопрос, как наша Вселенная начиналась и как она закончится.

Мы живем в странное время, когда писатели и кинематографисты буквально фонтанируют фантазиями на тему конца света. На самом же деле наш финал не будет похож на киносценарий с хэппи-эндом: если Вселенной суждено погибнуть, людей просто сметет, как песчинку с пляжа. У нас не получится остановить этот процесс. И, скорее всего, мы даже не успеем понять, что происходит.

10. Разумное разрушение

До изобретения ядерного оружия никто и подумать не мог, что одна бомба может уничтожить целый город. Однако все изменилось после атаки на Хиросиму 6 августа 1945 года. Люди впервые столкнулись с технологией такой разрушительной силы. Это привело к появлению концепции «разумного разрушения»: однажды человек сделает или изобретет нечто такое, что уничтожит Вселенную. Хорошие новости: всех наших ядерных запасов не хватит даже для того, чтобы разрушить Землю. Но кто сказал, что мы единственные разумные существа во Вселенной? .

9. Конец игры

8. Разрушение основ

7. Столкновение с другой вселенной

6. Большое сжатие

5. Осциллирующая Вселенная

4. Барьер смерти

3. Большое поглощение

2. Большое замерзание

1. Большой разрыв

Вряд ли среди широких слоёв населения проводились социологические опросы на тему: Чем вам интересны знания о Вселенной? Но весьма вероятно, что большинство обычных людей, которые не занимаются научными изысканиями, достижения современных учёных в области изучения Вселенной волнуют лишь в связи с одной проблемой - является ли наша Вселенная конечной и если да, то когда ожидать вселенской смерти? Однако подобные вопросы интересуют не только обывателей: вот уже почти полтора столетия споры на эту тему ведут и учёные, обсуждая теорию о тепловой смерти Вселенной.

Рост энергии ведёт к гибели?

На самом деле теория о тепловой смерти Вселенной логичным образом вытекает из термодинамики и рано или поздно должна была быть высказанной. Но она была высказана на раннем этапе современной науки, в середине XIX столетия. Суть её в том, чтобы вспомнить основные понятия и закономерности Вселенной и применить их к самой Вселенной и к происходящим в ней процессам. Итак, с точки зрения классической термодинамики можно рассматривать Вселенную как замкнутую термодинамическую систему, то есть систему, которая не обменивается энергией с другими системами.

Нет оснований полагать, рассуждают сторонники теории тепловой смерти, что Вселенная может обмениваться энергией с какой-либо внешней по отношению к ней системой, так как не существует доказательств, что есть ещё что-либо, помимо Вселенной. Тогда к Вселенной, как к любой замкнутой термодинамической системе, применимо второе начало термодинамики, являющееся одним из основных постулатов современного научного мировоззрения. Второе начало термодинамики гласит, что замкнутые термодинамические системы стремятся к наиболее вероятному равновесному состоянию, то есть к состоянию с максимальной энтропией. В случае с Вселенной это означает, что при отсутствии «каналов вывода» энергии наиболее вероятное равновесное состояние, это состояние превращение всех видов энергии в тепловую. А это означает равномерное распределение тепловой энергии по всей материи, после чего все известные макроскопические процессы во Вселенной прекратятся, Вселенная как будто будет парализована, что, разумеется, приведёт и к прекращению жизни.

Вселенная не так проста, чтобы умирать тепловой смертью

Однако расхожее мнение о том, что все учёные пессимисты и склонны рассматривать лишь самые неблагоприятные варианты, несправедливо. Как только теория тепловой смерти Вселенной была сформулирована, в научном сообществе сразу начались поиски аргументов для её опровержения. И аргументы были найдены в большом количестве. Прежде всего, и самым первым из них было мнение, что Вселенную нельзя рассматривать как систему, которая способна находиться в равновесном состоянии постоянно. Даже учитывая второе начало термодинамики Вселенная может в общем и целом достичь равновесного состояния, но отдельные её участки могут испытывать флуктуации, то есть некие выбросы энергии. Эти флуктуации и не дают запуститься процессу превращения всех видов энергии в исключительно тепловую энергию.

Другое мнение, выступающее против теории тепловой смерти, указывает на следующее обстоятельство: если бы второе начало термодинамики действительно было бы применимо ко Вселенной в абсолютной степени, то тепловая смерть уже давно наступила бы. Так как если Вселенная существует неограниченное количество времени, то накопившейся в ней энергии уже должно было хватить для тепловой смерти. Но если энергии ещё недостаточно, значит, Вселенная является нестабильной, развивающейся системой, то есть она расширяется. Следовательно, в таком случае она не может быть замкнутой термодинамической системой, так как затрачивает энергию на собственное развитие и расширение.

Наконец, современная наука оспаривает теорию тепловой смерти Вселенной с других позиций. Прежде всего это общая теория относительности , согласно которой Вселенная представляет собой систему, находящейся в переменном гравитационном поле. Из этого следует, что она нестабильна и закон возрастания энтропии, то есть установление равновесного состояния Вселенной невозможно. В конце концов, нынешние учёные сходятся в том, что познания человечества о Вселенной недостаточны для того, чтобы однозначно утверждать, что она является замкнутой термодинамической системой, то есть не имеет никаких контактов с некими внешними системами. Поэтому окончательно подтвердить или опровергнуть теорию тепловой смерти Вселенной пока что нельзя.

Александр Бабицкий