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?

Тепловая смерть Вселенной («Теплова́я смерть» Вселе́нной,)

ошибочный вывод о том, что все виды энергии во Вселенной в конце концов должны перейти в энергию теплового движения, которая равномерно распределится по веществу Вселенной, после чего в ней прекратятся все макроскопические процессы.

Этот вывод был сформулирован Р. Клаузиус ом (1865) на основе второго начала термодинамики (См. Второе начало термодинамики). Согласно второму началу, любая физическая система, не обменивающаяся энергией с другими системами (для Вселенной в целом такой обмен, очевидно, исключен), стремится к наиболее вероятному равновесному состоянию - к так называемому состоянию с максимумом энтропии (См. Энтропия). Такое состояние соответствовало бы «Т. с.» В. Ещё до создания современной космологии (См. Космология) были сделаны многочисленные попытки опровергнуть вывод о «Т. с.» В. Наиболее известна из них флуктуационная гипотеза Л. Больцман а (1872), согласно которой Вселенная извечно пребывает в равновесном изотермическом состоянии, но по закону случая то в одном, то в другом её месте иногда происходят отклонения от этого состояния; они происходят тем реже, чем большую область захватывают и чем значительнее степень отклонения. Современной космологией установлено, что ошибочен не только вывод о «Т. с.» В., но ошибочны и ранние попытки его опровержения. Связано это с тем, что не принимались во внимание существенные физические факторы и прежде всего Тяготение . С учётом тяготения однородное изотермическое распределение вещества вовсе не является наиболее вероятным и не соответствует максимуму энтропии. Наблюдения показывают, что Вселенная резко нестационарна. Она расширяется, и почти однородное в начале расширения вещество в дальнейшем под действием сил тяготения распадается на отдельные объекты, образуются скопления галактик, галактики, звёзды, планеты. Все эти процессы естественны, идут с ростом энтропии и не требуют нарушения законов термодинамики. Они и в будущем с учётом тяготения не приведут к однородному изотермическому состоянию Вселенной - к «Т. с.» В. Вселенная всегда нестатична и непрерывно эволюционирует.

Лит.: Зельдович Я. Б., Новиков И. Д., Строение и эволюция Вселенной, М.,1975.

И. Д. Новиков.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Смотреть что такое "Тепловая смерть Вселенной" в других словарях:

Гипотеза, выдвинутая Р. Клаузиусом (R. Clausius, 1865) как экстраполя ция второго начала термодинамики на всю Вселенную. Согласно Клаузиусу, энергия мира постоянна, энтропия мира стремится к максимуму. Т. е. Вселенная должна прийти в состояние… … Физическая энциклопедия

ТЕПЛОВАЯ СМЕРТЬ ВСЕЛЕННОЙ - ошибочный вывод, сделанный в XIX в. на основе второго начала термодинамики (см.), о том, что все виды энергии во Вселенной в конце концов должны перейти в энергию теплового движения, которая равномерно распределится по веществу Вселенной, после… … Большая политехническая энциклопедия

Уильям Томсон − в 1852 году выдвинул гипотезу о ТСВ Тепловая смерть термин, описывающий конечное состояние любой замкнутой термодинамической … Википедия

Уильям Томсон − в 1852 году открыл ТСВ Тепловая смерть термин, описывающий конечное состояние любой замкнутой термодинамической системы, и Вселенной в частности. При этом никакого направленного обмена энергией наблюдаться не будет, так как все… … Википедия

Гипотетич. состояние мира, к к рому якобы должно привести его развитие в результате превращения всех видов энергии в тепловую и равномерного распределения последней в пространстве; в таком случае Вселенная должна прийти в состояние однородного… … Философская энциклопедия

«Тепловая смерть Вселенной» - ошибочный вывод о том, что все виды энергии во Вселенной, в конце концов, должны перейти в энергию теплового движения, которая равномерно распределится по веществу Вселенной, после чего в ней прекратятся все макроскопические процессы. Этот вывод … Концепции современного естествознания. Словарь основных терминов

Ошибочный вывод о том, что все виды энергии во Вселенной в конце концов должны перейти в энергию теплового движения, к рая равномерно распределится по в ву Вселенной, после чего в ней прекратятся все макроскопич. процессы. Этот вывод был… … Физическая энциклопедия

Сценарий Большого сжатия Будущее Вселенной вопрос, рассматриваемый в рамках физической космологии. Различными научными теориями предсказано множество возможных вариантов будущего, среди которых есть мнения как об уничтожении, так и о… … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Конец света (значения). Гибель человечества в представлении художника (см. также … Википедия

В космологии, Большое сжатие (англ. Big Crunch) один из возможных сценариев будущего Вселенной, в котором расширение Вселенной со временем меняется на сжатие и вселенная коллапсирует, в конце концов схлопываясь в сингулярность. Обзор … Википедия

Книги

• Миры Ктулху , Лавкрафт Говард Филлипс. Проза Лавкрафта - идеальное отражение внутреннего мира человека в состоянии экзистенциального кризиса: космос холоден и безразличен, жизнь конечна, в словах и поступках нет никакого высшего…

Закон сохранения энергии хорошо известен: энергия не возникает и не исчезает, а может лишь превращаться в другие виды энергии или переходить от одной физической системы к другой. Во всех процессах энергии изолированной системы сохраняется. Закон сохранения энергии говорит как о количественной неуничтожимости материи и движения, так и их качественной неуничтожимости. Величиной, определяющей качество энергии, является энтропия. Понятие «энтропия» возникло в рамках термодинамики и связано с анализом тепловых процессов, оно характеризует направление протекания самопроизвольных процессов в замкнутой термодинамической системе и является мерой их необратимости. Понятие энтропии лежит в основе второго начала термодинамики, открытого в 60-е года ХIХ в. Клаузиусом, согласно которому энтропия изолированной системы постоянно возрастает. Другими словами, энтропия теплоизолированной системы всегда только увеличивается, т.е. такая система стремится к тепловому равновесию, при котором энтропия максимальна. Согласно этому закону, тепло не может само собой перейти от системы с меньшей температурой к системе с большей температурой.

Распространив второй закон термодинамики о возрастании энтропии, справедливой для замкнутых систем, на всю бесконечную Вселенную, Клаузиус пришел к выводу о тепловой смерти Вселенной. Согласно его «теории», все виды энергии превращаются в тепловую, энергия обесценивается, утрачивает способность к превращениям, а Вселенная приходит в наиболее вероятное состояние термодинамического равновесия. Энергия хотя и сохраняется количественно, но обесценивается в качественном отношении. Она теряет способность превращаться в другие виды энергии. Любые изменения и существование жизни становится невозможным.

При всей своей внешней логичности «теория» тепловой смерти ведет к парадоксальным выводам. Вселенная существует бесконечно долгое время и в принципе должна бы уже давно достичь состояния равновесия. Однако мы наблюдаем в мире существование многообразных видов энергии и движения, что с точки зрения сторонников этой «теории» является необъяснимым фактом. Выход может быть предложен двоякий: можно допустить, что наша Вселенная, либо существовала конечное время, недостаточное для достижения состояния теплового равновесия, либо она много раз достигала такого состояния, но некоторая сила время от времени выводила из него Вселенную. Оба эти предположения ведут к идее сотворения мира или вмешательства в ход физических процессов сверхъестественных сил.

Существенный вклад в критику «теории» тепловой смерти Вселенной внесли идеи Больцмана, который дал статистическое обоснование второго начала термодинамики. Он исходил из того, что бесконечная Вселенная в бесконечное время имеет вероятность, значительно отклоняющуюся от своего среднего наиболее вероятного состояния, поэтому в отдельных ограниченных областях возможны гигантские спонтанные отклонения от состояния равновесия. Только после такого отклонения (флуктуации) вступает в силу закон возрастания энтропии, снова приводящей к наиболее вероятному состоянию.

Некоторые ученые очень высоко оценили флуктуационную гипотезу Больцмана. Болгарский физик и философ А. Поликаров писал, что только больцмановская теория избавляет нас от «тепловой смерти». По мнению Я.П. Терлецкого, космологическая флуктуационная гипотеза Больцмана «впервые выразила языком физики идею о вечном кругообороте материи во Вселенной, ранее высказанную Энгельсом». Он считает, что для модели Вселенной Больцмана допущение сотворения является излишним, так как тепловая смерть – удел каждой определенной области пространства и то не на вечные времена, поскольку через достаточно большой промежуток времени возможна новая флуктуация, приводящая этот ограниченный мир вновь в неравновесное состояние. Одно из главных возражений против флуктуационной теории Больцмана, Терлецкий видит в исчезающее малой вероятности больших флуктуаций во Вселенной.

Однако не только в этом несостоятельность теории Больцмана. Она хотя и сыграла положительную роль, но по существу не решает проблемы, так как фактически предполагает состояние абсолютного равновесия, «тепловой смерти» во Вселенной, нарушаемое отдельными флуктуациями, носящими случайный характер.

Неудовлетворительность гипотезы Больцмана обычно рассматривается как свидетельство неприменимости статистических идей Больцмана к бесконечно большим объектам. Возражая против этого, российский математик И.П. Плоткин утверждает, что из статистики Больцмана логически следует не флуктуационная гипотеза, а наоборот – полное отсутствие состояния равновесия у бесконечно большой системы, т.е. не ограниченное ничем развитие Вселенной. Статистическая физика не обнаруживает у бесконечно большой системы наиболее вероятного, т.е. равновесного состояния. Вероятность повторения однажды пережитого такой системой состояния равна нулю. Каждое состояние бесконечно большой системы является, поэтому, совершенно новым и неповторимым: все состояния равновероятны.

Со времени открытия второго закона термодинамики встал вопрос о том, как согласовать вывод о возрастании энтропии в замкнутых системах (возрастание неопределенности, хаоса) с процессами самоорганизации в живой природе, с теорией Дарвина. Ведь она показала, что процесс развития растительного и животного мира характеризуется его непрерывным усложнением, нарастанием высоты организации и порядка. Живая природа почему-то стремилась прочь от термодинамического равновесия и хаоса. Налицо была явная нестыковка законов развития неживой и живой природы.

После замены модели стационарной Вселенной на развивающуюся, в которой ясно просматривалось нарастающее усложнение организации материальных объектов – от элементарных субэлементарных частиц в первые мгновения после Большого взрыва до звездных и галактических систем, - несоответствие законов стало ещё более явным. Ведь если принцип возрастания энтропии универсален, то, как же могли возникнуть такие сложные структуры? Стало ясно, что для сохранения непротиворечивости общей картины мира необходимо постулировать у материи в целом не только разрушительной, но и созидательной тенденции, Материя способна осуществлять работу и против термодинамического равновесия, самоорганизовываться и самоусложняться.

Постулат о способности материи к саморазвитию в философии был разработан достаточно давно. А вот его необходимость в фундаментальных естественных науках начала осознаваться только в последнее время. Исследования показали, что процессы самоорганизации имеют место в системах самой различной природы, в том числе и неорганической. Эти закономерности изучает синергетика – теория самоорганизации.

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

Одна из самых шокирующих теорий относительно нашей реальности заключается в том, что жизнь — это всего лишь компьютерная симуляция . По словам философа Ника Бострома из Оксфордского университета, поскольку компьютеры постоянно совершенствуются, в какой-то момент у людей разовьются настолько мощные вычислительные способности, что они смогут сами моделировать виртуальные миры. Если до этого кто-то не выключит программу, в которой моделями являемся мы сами. Мы даже не успеем осознать, что Вселенной пришел конец.

8. Разрушение основ

По одной из теорий наша Вселенная возможна благодаря существованию физических постоянных вроде скорости света или массы протона. Если бы хоть одна из этих фундаментальных констант имела другое значение, то нас бы просто не было. Как ни странно, австралийские физики выяснили, что с момента Большого Взрыва постоянная тонкой структуры изменилась в пространстве и времени . Это означает, что и другие константы могли меняться с течением времени. И если так пойдет и дальше, то однажды Вселенная просто рассыплется на мелкие частички. А планеты и звезды взорвутся. Правда, произойдет это не раньше, чем через 3 млрд лет.

7. Столкновение с другой вселенной

Что находится за пределами нашей Вселенной? Вероятно — другие вселенные. И если теория множественных вселенных верна, то однажды может произойти великое столкновение. Не исключено, что нечто подобное уже случалось, поскольку наша Вселенная искривлена. Однако в следующий раз последствия могут быть куда более катастрофическими. Другая вселенная может существовать по физическим законам, которые отличаются от наших. Она может врезаться в нас на скорости, близкой к скорости света. Если бы мы могли наблюдать столкновение в замедленном режиме , это выглядело бы так, словно на нас падает гигантское зеркало.

6. Большое сжатие

С момента Большого Взрыва, который произошел 13,8 млрд лет назад, Вселенная расширяется. Большинство физиков считают, что Вселенная бесконечна, однако есть и противоположное мнение. Если это не так, значит, в какой-то момент она начнет сжиматься — подобно волнам, которые откатываются назад в океан. Вселенная будет уменьшаться и схлопнется в одну точку . Теория Большого сжатия подкреплена теорией относительности Эйнштейна. Однако не стоит волноваться: если нечто подобное и произойдет, то через миллиарды лет.

5. Осциллирующая Вселенная

Согласно современным представлениям, Большой Взрыв произошел из сингулярности, то есть из одной точки. Но откуда взялась эта точка? Свое объяснение предлагает теория осциллирующей Вселенной: Большой Взрыв возник после коллапса другой вселенной. Это значит, что наша Вселенная когда-нибудь вновь сожмется в одну точку и из нее возникнет новый мир. Что интересно: если теория верна, значит, мы понятия не имеем, произошла ли наша Вселенная после первого коллапса или после миллион первого .

4. Барьер смерти

Вселенная будет расширяться, пока не достигнет физического барьера . Как если бы хоккейный каток заливали большим количеством воды — и в конце концов она бы ударилась о бортики и перестала растекаться. Согласно расчетам, барьера Вселенная достигнет примерно через 3,7 млрд лет. А вероятность того, что он вообще существует, составляет 50%.

3. Большое поглощение

4 июля 2012 года Большой адронный коллайдер наконец-то подтвердил существование бозона Хиггса. Так называемое «поле Хиггса» пронизывает Вселенную. Интересно, что у этого поля могут быть разные состояния — подобно тому, как вещество может быть жидким, твердым и газообразным. Сейчас поле находится на низком энергетическом уровне, однако оно может перейти как на более высокий, так и на еще более низкий. Последний вариант, по мнению исследователей, более вероятен. Этот энергетический «провал» может быть вызван квантовой флуктуацией. В результате новое маломощное поле Хиггса образует пузырь, который начнет расширяться со скоростью света и поглощать все, что попадется у него на пути. То есть нашу Вселенную . Но у этой пессимистичной теории есть два светлых пятна. Первое — у нас в запасе имеется несколько миллиардов лет. И второе — все случится настолько быстро, что мы не успеем испугаться.

2. Большое замерзание

Сценарий, также известный как Тепловая смерть, основан на втором законе термодинамики — об увеличении энтропии в закрытых системах. Вселенная будет расширяться, а объекты в ней — удаляться друг от друга. Когда энтропия достигнет максимума, энергия будет равномерно распределена, а все процессы остановятся. Звезды остынут, материя распадется… Одним словом, все кругом перестанет работать .

1. Большой разрыв

Вселенная на 68,3% состоит из загадочной темной энергии, о которой физики знают не так уж много. До ее открытия ученые считали, что расширение Вселенной с момента Большого Взрыва либо замедлилось, либо прекратилось. Однако, наблюдая за сверхновыми, астрофизики пришли к выводу, что расширение на самом деле ускоряется, и причина тому — темная энергия. Именно она может привести к тому, что называется Большим разрывом. Этот сценарий гибели Вселенной основан на предположении, что со временем темная энергия набирает силу, все более активно «расталкивая» галактики и космические объекты, разрывая все существующие связи и структуры. Одним словом, Вселенная распадется на мельчайшие частицы . Но нас на финальное шоу не позовут — скорее всего, человечество вымрет гораздо раньше.

Пришла пора разобраться со вторым фундаментальным постулатом термодинамики, которое именуется . Второе начало не является доказуемым в рамках классической термодинамики. Его формулировки – результат обобщения опытов, наблюдений и экспериментов. Расскажем Вам 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

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

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.

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:

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

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.

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» .

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.

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.

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 Вам успехов в учебе и напоминаем – подсказать, помочь, проконсультировать и взять часть Вашей нагрузки на себя всегда готовы . Учитесь и живите в свое удовольствие!