Dziesięć teorii śmierci naszego wszechświata. I „teoria” śmierci cieplnej Wszechświata

„Słońce zaćmi się jak wór i księżyc nie da swego blasku... Moce niebieskie zadrżą i wszystkie żywioły znikną...” Te słowa zostały wypowiedziane około dwóch tysięcy lat temu w obrazy artystyczne opisujący, jak nastąpi koniec czasów lub śmierć cieplna wszechświata. Minęło jednak osiemnaście wieków, zanim badacze zajęli się badaniem tego problemu punkt naukowy wizja. Tak naprawdę, gdy tylko ludzkość odkryła podstawy, to pytanie prędzej czy później musiało się pojawić. Logicznie rzecz biorąc, jeśli jakakolwiek zasada naturalna działa w układzie zamkniętym, dlaczego nie założyć, że ta sama tendencja działa w odniesieniu do całego wszechświata?

Hipotezę termicznej śmierci Wszechświata po raz pierwszy wysunął William Thompson w 1852 r., ale później, w 1865 r., sformułował ją bardziej szczegółowo R. Clausius. Ekstrapolował na przestrzeń. Zgodnie z tą zasadą każdy układ zamknięty dąży do równowagi, gdy energia promieniowania zamienia się w ciepło. „Śmierć” następuje po osiągnięciu maksymalnego poziomu entropii. W tym momencie nie następuje żadna wymiana energii, ponieważ cała zamienia się w ciepło. A ponieważ nie ma powodu zakładać, że poza przestrzenią istnieje cokolwiek innego, to – konkluduje Clausius – nasz Wszechświat można również uznać za układ zamknięty i obowiązuje w nim to samo prawo.

Naturalnie ani Thompson, ani Clausius nawet nie wyobrażali sobie, że śmierć termiczna Wszechświata wkrótce nastąpi, ale przewidywania nawet bardzo odległego końca świata wywołały wiele hałasu w środowisku naukowym i dały podstawę do różnych obaleń takiej hipotezy. Już w 1872 roku naukowiec L. Boltzmann przedstawił teorię fluktuacji. Według niej nasz Wszechświat jest zbyt ogromny i skomplikowany, aby umrzeć tak prostą śmiercią. Zawsze był i pozostanie w stanie równowagi izotermicznej, jednak odchylenia od tego stanu stale zachodzą i zawsze będą występować w różnych jego częściach. Oznacza to, że takie wybuchy i wybuchy energii zapobiegną uruchomieniu mechanizmu przekształcania całej energii wszechświata w ciepło.

Współczesna nauka nie potwierdziła ani nie zaprzeczyła hipotezie, że śmierć cieplna Wszechświata nieuchronnie nastąpi. Koncepcja Wielkiego Wybuchu, który rzekomo miał miejsce około 14 miliardów lat temu i zrodził wszystko, nie dowodzi jeszcze, że w przestrzeni działa tylko działanie zmiennej. Musimy także wziąć pod uwagę działanie zmiennej Szczególna uwaga Na teorię A. Friedmana zasługuje: Wszechświat wypełniony grawitującą materią nie jest stacjonarny, albo się rozszerza, albo kurczy. A jeśli tak, to stale rosnąca entropia nie prowadzi do tego systemu jako całości

Śmierć cieplna Wszechświat można kwestionować także z punktu widzenia ogólnej teorii względności. Wciąż zbyt mało wiemy o naszym świecie, aby z całkowitą pewnością ocenić, czy nasz świat jest zamknięty i czy poza nim istnieje coś jeszcze. Być może inni mają na niego wpływ siły zewnętrzne i systemy? Znane nam prawa fizyki niekoniecznie muszą mieć zastosowanie w skali nieograniczonej przestrzeni – twierdzą obrońcy wieczności promieniowania we Wszechświecie. Gwiazdy zapalają się i gaśnie, ale sam układ jest w równowadze, co jednak nie prowadzi do śmierci termicznej wszystkiego.

Pomimo faktu, że koncepcja możliwego upadku Wszechświata nie jest ani potwierdzona, ani obalona współczesna nauka, to pytanie zaczęło niepokoić nie tylko „fizyków”, ale także „autorów tekstów”. Pisarze science fiction szczególnie czerpią inspirację z możliwej śmierci wszystkich żywych istot. W ten sposób Izaak Asimov przepowiedział w swojej historii dosłownie mrożący krew w żyłach koniec wszelkiego życia „ Ostatnie pytanie" Śmierć cieplna całej materii organicznej stanowi podstawę fabuły wielu japońskich kreskówek i seriali anime.

Druga zasada (prawo) termodynamiki stwierdza, że wewnętrzna energia cieplna (ciepło) nie może samodzielnie przemieszczać się z obiektu mniej nagrzanego do obiektu bardziej nagrzanego.

W wyniku Drugiej Zasady Termodynamiki każdy układ fizyczny, który nie wymienia energii z innymi układami, dąży do najbardziej prawdopodobnego stanu równowagi - do stanu o największej entropii (wielkość charakteryzująca stopień nieuporządkowania i stan termiczny układ fizyczny). Prawo to zostało po raz pierwszy opisane przez Sadi Carnota w 1824 r. W konsekwencji już w 1852 roku William Kelvin wysunął hipotezę o nadchodzącej w przyszłości „śmierci cieplnej Ziemi” w procesie schładzania naszej planety do stanu martwego. W 1865 roku Rudolf Clausius rozszerzył tę hipotezę na cały Wszechświat.

W 1872 roku austriacki fizyk Ludwig Boltzmann próbował określić ilościowo entropię za pomocą wzoru S = k * ln W (gdzie S to entropia, k to stała Boltzmanna, W to liczba mikrostanów realizujących makrostan. Mikrostan to stan pojedynczy element systemu i makrostan - stan systemu jako całości.

Jeszcze większym dowodem na słuszność hipotezy było odkrycie promieniowania cieplnego Wszechświata, które powstało podczas rekombinacji (łączenia protonów i elektronów w atomy) pierwotnego wodoru, która nastąpiła po 379 tysiącach lat. Proces rekombinacji zachodzi w temperaturze 3 tys. Kelvina, podczas gdy jednocześnie aktualna temperatura kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła, określona przez jego maksimum, wynosi zaledwie 2,7 Kelvina. Badania kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła wykazały, że jest ono izotropowe (jednolite) dla dowolnego kierunku na niebie na poziomie 99,999%.

Obserwacje astronomiczne umożliwiają skonstruowanie tzw. Diagram Madau („diagram Madau”), który pokazuje zależność szybkości powstawania gwiazd w funkcji .

Badanie statystyk kwazarów (jąder aktywnych galaktyk) pozwala nam niezależnie oszacować tempo powstawania gwiazd. Przegląd 2DF, przeprowadzony w latach 1997-2002 na australijskim teleskopie AAT, zbadał około 10 tysięcy kwazarów na obszarze nieba o powierzchni 1,5 tysiąca stopni kwadratowych w rejonach obu biegunów galaktycznych.

Kolejnym dowodem na słuszność teorii przyszłej „śmierci cieplnej Wszechświata” były badania z fizyki jądrowej, które wykazały, że energia wiązania nukleonów (protonów i neutronów) w jądrze rośnie wraz z ich liczbą w jądrze większości pierwiastki chemiczne.

Konsekwencją tej zależności jest to, że reakcje syntezy termojądrowej z udziałem lżejszych pierwiastków chemicznych (na przykład wodoru i helu) prowadzą do uwolnienia znacznie większej ilości energii we wnętrzu gwiazd niż reakcje termojądrowe z udziałem cięższych pierwiastków chemicznych. Ponadto badania teoretyczne z końca XX wieku sugerowały, że nie są one wieczne, lecz stopniowo wyparowują pod wpływem (hipotetycznego promieniowania czarnych dziur, na które składają się głównie fotony).

Argumenty przeciwko hipotezie „śmierci cieplnej” Wszechświata

Wątpliwości co do słuszności hipotezy o nieuchronnej „śmierci termicznej Wszechświata” w przyszłości można podzielić na kilka punktów (patrz ilustracja teorii Wielkiego Rozdarcia Wszechświata).

Istnieje niepewność w przewidywaniu przyszłych zmian w objętości naszego Wszechświata. Istnieje zarówno teoria Wielkiego Rozdarcia Wszechświata (przyspieszonej ekspansji Wszechświata do nieskończoności), jak i teoria Wielkiego Rozdarcia Wszechświata (w przyszłości Wszechświat zacznie się kurczyć). Niepewność pomiędzy tymi opcjami jest spowodowana niedawnymi odkryciami tajemnicy ciemna materia i energia.

Nie ma pewności co do liczby istniejących Wszechświatów i możliwości komunikacji między nimi. Z jednej strony paradoks fotometryczny (paradoks Chezeau-Olbersa) ciemnego nieba mówi o skończonych rozmiarach i wieku naszego Wszechświata, a także o braku jego połączenia z innymi Wszechświatami.

Natomiast z zasady przeciętności (zasady kopernikańskiej) wynika, że nasz Wszechświat nie jest jedyny i musi istnieć nieskończony zbiór inne Wszechświaty z innym zestawem stałych fizycznych. Ponadto współczesna fizyka dopuszcza istnienie tuneli czasoprzestrzennych (tuneli czasoprzestrzennych) pomiędzy różnymi wszechświatami.

Kiedy zwykła substancja jest schładzana (przechodzi w stan stały), jej entropia nie wzrasta, a raczej maleje:

Kluczowymi punktami teorii „śmierci cieplnej” Wszechświata jest możliwość rozpadu protonów i istnienie „promieniowania Hawkinga”, ale te hipotetyczne zjawiska nie zostały jeszcze udowodnione eksperymentalnie.

Istnieje wielka niepewność co do wpływu życia i inteligencji na dynamikę entropii Wszechświata. Jeśli chodzi o wpływ nieinteligentnych form życia na entropię Wszechświata, nie ma wątpliwości, że życie zmniejsza entropię. Jako dowód tego możemy przytoczyć fakty dotyczące bardziej złożonej natury organizmów żywych w porównaniu z jakimkolwiek organizmem nieorganicznym. chemikalia. Powierzchnia naszej planety, ze względu na biosferę, wygląda na znacznie bardziej zróżnicowaną w porównaniu z „martwą” powierzchnią, czyli. Ponadto najprostsze organizmy żywe obserwuje się w działaniach wzbogacających atmosferę ziemską w tlen (tlen biogenny), a także wytwarzających bogate złoża minerałów (biogeneza).

Jednocześnie bez odpowiedzi pozostaje pytanie: czy inteligentne życie (czyli człowiek) zwiększa czy zmniejsza entropię Wszechświata? Z jednej strony ludzki mózg jest najbardziej złożoną formą znaną wśród organizmów żywych, a także fakt, że postęp naukowy i technologiczny pozwolił ludziom osiągnąć niespotykany dotychczas poziom wiedzy i projektowania, w tym syntezę pierwiastków chemicznych i cząstki elementarne, których nie obserwuje się w przyrodzie. Współczesna cywilizacja ludzka jest w stanie zapobiec poważnym klęski żywiołowe(pożary lasów, powodzie, masowe epidemie itp.) i są o krok od możliwości zapobiegania katastrofom na skalę planetarną (upadki małych asteroid i komet).

Z drugiej strony cywilizację ludzką wyróżniają tendencje „entropiczne”. Niszczycielska siła arsenałów broni rośnie wraz ze wzrostem liczby niebezpiecznych produkcji chemicznych i nuklearnych, górnictwo w ciągu zaledwie kilkudziesięciu lat może zniszczyć złoża minerałów, które gromadziły się na planecie przez wiele setek milionów lat. Rozwój rolnictwa doprowadził do wylesiania dużej części powierzchni naszej planety, a także przyczynia się do degradacji i splątania gleb. Kłusownictwo, emisja gazów cieplarnianych (możliwe zakwaszenie oceanów) itp. gwałtownie zmniejszają różnorodność biologiczną naszej planety, przez co ekolodzy klasyfikują obecny czas jako nowe masowe wymieranie. Ponadto w ostatnich dziesięcioleciach nastąpił silny spadek wskaźnika urodzeń w krajach najbardziej rozwiniętych; możliwe jest, że ta sytuacja demograficzna stała się konsekwencją zaporowej komplikacji życia cywilizacji ludzkiej.

W związku z tymi wszystkimi trendami rysuje się najbliższa przyszłość cywilizacji ludzkiej ogromna ilość możliwe opcje: począwszy od epickiego obrazu kosmicznej kolonizacji całej galaktyki wraz z budową kul Dysona, rozkwitu sztuczna inteligencja i nawiązanie kontaktu z cywilizacjami pozaziemskimi aż do powrotu do wiecznego średniowiecza na planecie o osłabionych zasobach mineralnych i biologicznych. Paradoks Fermiego (Wielka Cisza Wszechświata) dodaje jeszcze większą niepewność co do wpływu życia i inteligencji na dynamikę entropii Wszechświata, ponieważ istnieje ogromny zakres jego wyjaśnienia: od ogromnej rzadkości biosfer i inteligentne cywilizacje we Wszechświecie do hipotezy, że nasza Ziemia jest rodzajem „rezerwy” lub „matrycy” w świecie inteligentnych supercywilizacji.

Współczesna koncepcja „śmierci cieplnej” Wszechświata

Obecnie fizycy rozważają następującą sekwencję ewolucji Wszechświata w przyszłości, pod warunkiem jego dalszej ekspansji w obecnym tempie:

1-100 bilionów (1012) lat – zakończenie procesów gwiazdotwórczych we Wszechświecie i wyginięcie nawet najnowszych czerwonych karłów. Po tym momencie we Wszechświecie pozostaną jedynie pozostałości gwiazd: czarne dziury, gwiazdy neutronowe i białe karły.
1 biliard (1015) lat – wszystkie planety opuszczą swoje orbity wokół gwiazd z powodu zaburzeń grawitacyjnych powodowanych przez bliskie przejścia innych gwiazd.
10-100 trylionów (1018) lat - wszystkie planety, brązowe karły i pozostałości gwiazd opuszczą swoje galaktyki z powodu ciągłych wzajemnych zakłóceń grawitacyjnych.
100 trylionów (1018) lat to przybliżony czas, w którym Ziemia wpadłaby w Słońce w wyniku emisji fal grawitacyjnych, gdyby Ziemia przetrwała fazę czerwonego olbrzyma i pozostała na swojej orbicie.
2 anvigintilliony (1066) lat to przybliżony czas całkowitego odparowania czarnej dziury o masie Słońca.
17 septylionów (10105) lat to przybliżony czas całkowitego odparowania czarnej dziury o masie 10 bilionów mas Słońca. To koniec ery czarnych dziur.

Następnie przyszłość Wszechświata dzieli się na dwie części możliwe opcje w zależności od tego, czy proton jest stabilną cząstką elementarną, czy nie:

A) Proton jest niestabilną cząstką elementarną;
A1) 10 decylionów (1033) lat – najmniej możliwy czas okres półtrwania protonów według eksperymentów fizyków jądrowych na Ziemi;
A2) 2 undecyliony (1036) lat – najkrótszy możliwy czas rozpadu wszystkich protonów we Wszechświecie;
A3) 100 dodecylionów (1039) lat to najdłuższy możliwy okres półtrwania protonu, co wynika z hipotezy, że Wielki Wybuch wyjaśniają inflacyjne teorie kosmologiczne, a rozpad protonu powodowany jest przez ten sam proces, który odpowiada za przewaga barionów nad antybarionami we wczesnym Wszechświecie;
A4) 30 tredecylionów (1041) lat to maksymalny możliwy czas rozpadu wszystkich barionów we Wszechświecie. Po tym czasie powinna rozpocząć się era czarnych dziur, gdyż pozostaną one jedynymi istniejącymi obiektami niebieskimi we Wszechświecie;
A5) 17 sepdecylionów (10105) lat – przybliżony czas całkowite odparowanie nawet najbardziej masywnych czarnych dziur. To czas końca ery czarnych dziur i rozpoczęcia ery wiecznej ciemności, w której wszystkie obiekty we Wszechświecie rozpadały się na cząstki subatomowe i zwalniały do najniższego poziomu energetycznego.

B) Proton jest stabilną cząstką elementarną;

B1) 100 vigintillionów (1063) lat - czas, w którym wszystkie ciała w postaci stałej, nawet w temperaturze zera absolutnego, przejdą w stan „płynny” na skutek efektu tunelowania kwantowego – migracji do innych części sieci krystalicznej;

B2) 101500 lat - pojawienie się hipotetycznych gwiazd żelaznych w wyniku procesów zimnej nukleosyntezy, która zachodzi poprzez tunelowanie kwantowe, podczas którego lekkie jądra przekształcają się w najbardziej stabilny izotop - Fe56 (według innych źródeł najbardziej stabilnym izotopem jest nikiel -62, czyli najwięcej wysoka energia znajomości.). Jednocześnie ciężkie jądra również zamieniają się w żelazo w wyniku rozpadu radioaktywnego;

B3) 10 na 1026 – 10 na 1076 lat – szacunkowy zakres czasu, w którym cała materia we Wszechświecie gromadzi się w czarne dziury.

Wiek czarnych dziur

Podsumowując, możemy zauważyć założenie, że po 10 do 10120 latach cała materia we Wszechświecie osiągnie minimalny stan energetyczny. Oznacza to, że będzie to hipotetyczny początek „śmierci termicznej” Wszechświata. Ponadto matematycy mają koncepcję czasu powrotu Poincarégo.

Koncepcja ta oznacza prawdopodobieństwo, że prędzej czy później jakakolwiek część systemu powróci do stanu pierwotnego. Dobrą ilustracją tej koncepcji jest sytuacja, gdy w naczyniu podzielonym przegrodą na dwie części jedna z części zawiera określony gaz. Jeśli usuniesz przegrodę, prędzej czy później nadejdzie czas, gdy wszystkie cząsteczki gazu znajdą się w pierwotnej połowie naczynia. Szacuje się, że w przypadku naszego Wszechświata czas powrotu Poincarégo jest fantastycznie długi.

W kulturze popularnej popularna stała się teoria „śmierci cieplnej” Wszechświata. Dobrą ilustracją tej teorii był teledysk grupy Complex Numbers: „Inevitability”, a także opowiadanie science fiction Isaaca Asimova „The Last Pytanie”.

Spodobał Ci się post? Powiedz o tym swoim znajomym!

Materialna jedność świata przejawia się w absolutności i wieczności materii, jej niekreowalności i niezniszczalności. Materialna jedność świata wyraża się w możliwości przekształcenia jednych form materii i ruchu w inne. W połowie XIX wieku. odkryto podstawowe prawo natury - prawo zachowania energii. „Prawo zachowania i transformacji energii stanowi nie tylko, że gdy jeden rodzaj energii zostaje zamieniony na inny, jego wartość liczbowa pozostaje stała, ale także, że każdy rodzaj energii (elektromagnetyczny, cieplny, mechaniczny) ma zdolność do pewne warunki przekształcić w inne typy. Świadczy o niezniszczalności ruchu nie tylko w sensie ilościowym (nieuchronność), ale także w jakościowo(nieograniczona zdolność każdej formy ruchu do przekształcania się w inne)” 1.

Wydawałoby się, że to prawo nieuchronnie implikuje wniosek o wiecznym obiegu materii we Wszechświecie. W rzeczywistości, jeśli w Naturze, ze wszystkimi jej zmianami, materia, tj. rzeczywistość, z której składa się świat, nie znika i nie powstaje z niczego, a jedynie przechodzi z jednej formy istnienia do drugiej, wtedy Wszechświat jest wieczny, a materia, która go składa, znajduje się w wiecznym cyklu. Wszechświat jako całość jest zawsze taki sam – takie było przekonanie w XIX wieku. był niemal powszechny.

Niemiecki fizyk R. Clausius i angielski fizyk W. Thompson (Lord Kelvin), opierając się na drugiej zasadzie termodynamiki, zasugerowali, że „w układzie pozostawionym samemu sobie prędzej czy później następuje wyrównanie temperatur i wydaje się, że energia cieplna pogorszyć się jakościowo. Traci zdolność przekształcania się w inne formy energii.” Termodynamika to dziedzina fizyki badająca naturę procesów cieplnych i różnych przemian energii cieplnej. Szczególnym wyrazem jest fakt, że energia cieplna, podobnie jak inne rodzaje energii, nie znika podczas swoich przemian i nie powstaje z niczego prawo zwyczajowe oszczędność energii. W tym sformułowaniu on zwaną pierwszą zasadą termodynamiki. Druga zasada termodynamiki nie mówi o ilości energii, ale o jej jakości, a dokładniej o deprecjacji energii.

„Rozciągnięcie drugiej zasady termodynamiki na cały Wszechświat prowadzi do wniosku, że z biegiem czasu wszystkie rodzaje energii zamienią się w energię cieplną, a ta w wyniku wyrównywania się temperatur straci zdolność przekształcania się w inne rodzaje energii. energii, a Wszechświat dojdzie do stanu równowagi termicznej, z którego nastąpi wyjście naturalnie niemożliwe. Początek stanu równowagi termicznej będzie oznaczać śmierć termiczną Wszechświata. Teoria śmierci termicznej Wszechświata nie przeczy ilościowemu zachowaniu energii, ale zaprzecza jakościowej niezniszczalności energii i ruchu” 1.

W trakcie dyskusji na temat „śmierci cieplnej” Clausius wprowadził pewną wielkość matematyczną, którą nazwał entropią. W dosłownym tłumaczeniu z języka greckiego „entropia” oznacza „zwrócenie się do wewnątrz”, tj. wycofanie się w głąb siebie, „nieużywanie”. Esencjonalnie entropia jest miarą nieporządku w dowolnym układzie ciał. Im większy nieporządek, tym większa entropia.

P.V. Aleksiejew i A.V. Panin zauważa, że „entropia jest wielkością fizyczną charakteryzującą procesy konwersji energii. Zgodnie z prawem rosnącej entropii, podczas rzeczywistych procesów termodynamicznych entropia układu zamkniętego wzrasta. Prawo rosnącej entropii określa przebieg przemian energii: w układach zamkniętych wszystkie zachodzą w tym samym kierunku. Osiągnięcie przez układ termodynamiczny stanu o maksymalnej entropii odpowiada osiągnięciu stanu równowagi termicznej. Oznacza to, że w systemie pozostawionym samemu sobie prędzej czy później temperatury się wyrównują, a energia cieplna wydaje się ulegać jakościowej degradacji. Traci zdolność przekształcania się w inne formy energii.”

R. Clausius twierdził, że odkryto prawo Natury, które pozwala z całą pewnością stwierdzić, że we Wszechświecie nie ma uniwersalnego cyklu, że zmienia on swój stan coraz bardziej w określonym kierunku i tym samym zbliża się do pewnej granicy. Niemiecki fizyk uważał, że energia świata jest stała, a entropia świata dąży do maksimum.

Oszałamiające wrażenie wywarło na przyrodnikach XIX wieku. druga zasada termodynamiki była szczególnie silna również dlatego, że nie widzieli otaczających ich faktów w otaczającej nas naturze, która ją obalała. Wręcz przeciwnie, wszystko zdawało się potwierdzać ponure przepowiednie Clausiusa. Jednak pojawiały się także próby obalenia tych prognoz. W 1895 roku niemiecki fizyk L. Boltzmann zaproponował swoją hipotezę fluktuacyjną „drugiego prawa”. Hipoteza ta opierała się „na założeniu, że nieskończony Wszechświat osiągnął już stan równowagi termodynamicznej, czyli śmierci cieplnej. Jednak ze względu na statystyczny charakter zasady rosnącej entropii możliwe są makroskopowe odchylenia od stanu równowagi - fluktuacje. Jednym z nich jest obszar Wszechświata, który obserwujemy” 1. Jednak ogólnie rzecz biorąc, Wszechświat jest w zasadzie rozległym martwym oceanem z pewną liczbą wysp życia, jak sądził L. Boltzmann.

Znani fizycy XX wieku. L.D. Landau i E.M. Lifshitz udowodnił, że każdy układ zamknięty może osiągnąć maksymalną entropię tylko przy stałej i niezmiennej entropii warunki zewnętrzne. Tymczasem grawitacja jako właściwość czterowymiarowej czasoprzestrzeni jest bardzo niestabilna w całym Wszechświecie. Wynika z tego, że Wszechświat nigdy nie osiągnie stanu martwej równowagi. „Drugie prawo” termodynamiki zasadniczo stwierdza nieodwracalność wszystkich procesów zachodzących w Naturze. Oznacza to, że Natura rozwija się bez powtarzania poprzednich stanów. W konsekwencji Wszechświat w postaci, w jakiej go znamy, wyszedł z innego, nieznanego nam stanu materii i ostatecznie przejdzie w jakieś inne formy istnienia. Jest całkiem możliwe, że dla takich form znane nam obecne prawa Natury okażą się niemające zastosowania. Nie oznacza to jednak śmierci Wszechświata, a jedynie zakończenie jednego z etapów rozwoju materii.

Z punktu widzenia synergetyki (teoria ta powstała stosunkowo niedawno), która bada procesy samoorganizacji w złożonych otwartych układach nieliniowych, sam Wszechświat może zawierać zjawiska naturalne charakter antyentropiczny.

W ostatnio wywołuje wielką dyskusję w nauce zasada antropiczna.„Główną ideą tej zasady jest to, że podstawowe właściwości Wszechświata, wartości podstawowych stałych fizycznych, a nawet forma praw fizycznych są ściśle powiązane z faktem struktury Wszechświata we wszystkich skalach - od cząstek elementarnych po supergromady galaktyk – z możliwością istnienia warunków, w których powstają złożone formy, ruchy materii, życia i człowieka”.

Podajmy inne sformułowanie zasady antropicznej zaproponowane przez B. Cartera: „Wszechświat musi być taki, aby na pewnym etapie ewolucji dopuszczono w nim istnienie obserwatorów”. Inaczej mówiąc, pojawienie się człowieka wynika z samej struktury Wszechświata. Powyższe dwa sformułowania zasady antropicznej są słabe.

Istnieje również mocne stwierdzenie zasady antropicznej: „Obserwatorzy są niezbędni, aby wszechświat istniał”. Autorem tego sformułowania jest J. W iller.

Prawo zachowania energii jest powszechnie znane: energia nie pojawia się ani nie znika, a jedynie może zostać przekształcona w inny rodzaj energii lub przejść z jednego układu fizycznego do drugiego. We wszystkich procesach energetycznych izolowany system jest zapisany. Prawo zachowania energii mówi zarówno o ilościowej niezniszczalności materii i ruchu, jak i o ich niezniszczalności jakościowej. Ilość określająca jakość energii to entropia. Pojęcie „entropii” powstało w ramach termodynamiki i wiąże się z analizą procesów cieplnych, charakteryzuje kierunek procesów samoistnych w zamkniętym układzie termodynamicznym i jest miarą ich nieodwracalności. U podstaw leży koncepcja entropii druga zasada termodynamiki, otwarty w latach 60-tych XIX wieku. Mikołaj, zgodnie z którym entropia izolowanego układu stale rośnie. Innymi słowy, entropia układu izolowanego termicznie zawsze rośnie, tj. taki układ dąży do równowagi termicznej, przy której entropia jest maksymalna. Zgodnie z tym prawem ciepło nie może samoistnie przenieść się z układu o temperaturze niższej do układu o temperaturze wyższej.

Rozszerzywszy drugą zasadę termodynamiki dotyczącą wzrostu entropii, obowiązującą dla układów zamkniętych, na cały nieskończony Wszechświat, Clausius doszedł do wniosku o termicznej śmierci Wszechświata. Według jego „teorii” wszystkie rodzaje energii zamieniają się w ciepło, energia traci na wartości, traci zdolność do transformacji, a Wszechświat dochodzi do najbardziej prawdopodobnego stanu równowagi termodynamicznej. Chociaż energia jest oszczędzana ilościowo, ulega ona amortyzacji jakościowej. Traci zdolność przekształcania się w inne rodzaje energii. Wszelkie zmiany i istnienie życia staje się niemożliwe.

Mimo całej swojej pozornej logiki „teoria” śmierci cieplnej prowadzi do paradoksalnych wniosków. Wszechświat istnieje w nieskończoność od dawna i w zasadzie powinien już dawno osiągnąć stan równowagi. Obserwujemy jednak istnienie różnorodnych rodzajów energii i ruchu na świecie, co z punktu widzenia zwolenników tej „teorii” jest faktem niewytłumaczalnym. Można zaproponować dwojakie rozwiązanie: można założyć, że nasz Wszechświat albo istniał przez czas skończony, niewystarczający do osiągnięcia stanu równowagi termicznej, albo osiągał taki stan wielokrotnie, lecz od czasu do czasu jakaś siła niosła Wszechświat z tego. Obydwa te założenia prowadzą do idei stworzenia świata, czyli interwencji sił nadprzyrodzonych w przebieg procesów fizycznych.

Istotny wkład w krytykę „teorii” śmierci termicznej Wszechświata wniosły idee Boltzmanna, który podał statystyczne uzasadnienie drugiej zasady termodynamiki. Wyszedł z faktu, że nieskończony Wszechświat w nieskończonym czasie ma prawdopodobieństwo, które znacznie odbiega od jego średniego prawdopodobieństwa stan prawdopodobny dlatego w niektórych ograniczonych obszarach możliwe są gigantyczne spontaniczne odchylenia od stanu równowagi. Dopiero po takim odchyleniu (fluktuacji) zaczyna obowiązywać prawo rosnącej entropii, ponownie prowadząc do stanu najbardziej prawdopodobnego.

Niektórzy naukowcy wysoko cenili hipotezę fluktuacji Boltzmanna. Bułgarski fizyk i filozof A. Polikarow napisał, że przed „śmiercią termiczną” ratuje nas jedynie teoria Boltzmanna. Według Ya.P. Terletsky, hipoteza fluktuacji kosmologicznej Boltzmanna „po raz pierwszy wyrażono w języku fizyki ideę wiecznego obiegu materii we Wszechświecie, wyrażoną wcześniej przez Engelsa”. Uważa on, że dla modelu Wszechświata Boltzmanna założenie o stworzeniu jest niepotrzebne, gdyż śmierć termiczna jest losem każdego konkretnego obszaru przestrzeni, i nawet wtedy nie na zawsze, gdyż po dostatecznie długim okresie czasu pojawia się nowa fluktuacja. możliwe, wprowadzając ponownie ten ograniczony świat w stan nierównowagi. Terletsky widzi jeden z głównych zarzutów wobec teorii fluktuacji Boltzmanna w zanikającym niskim prawdopodobieństwie dużych fluktuacji we Wszechświecie.

Nie jest to jednak jedyna niespójność teorii Boltzmanna. Choć odegrał pozytywną rolę, zasadniczo nie rozwiązuje problemu, gdyż w rzeczywistości zakłada stan absolutnej równowagi, „śmierci termicznej” we Wszechświecie, zakłócanej przez indywidualne fluktuacje o charakterze przypadkowym.

Niepowodzenie hipotezy Boltzmanna jest zwykle traktowane jako dowód na niemożność zastosowania idei statystycznych Boltzmanna do nieskończenie dużych obiektów. Sprzeciwiając się temu, rosyjski matematyk IP Plotkin stwierdza, że ze statystyki Boltzmanna wynika logicznie nie hipoteza fluktuacji, ale wręcz przeciwnie - całkowity brak stanu równowagi w nieskończoności duży system, te. nieograniczonego rozwoju Wszechświata. Fizyka statystyczna nie ujawnia tego, co najbardziej prawdopodobne w nieskończenie dużym układzie, tj. stan równowagi. Prawdopodobieństwo powtórzenia się stanu raz doświadczonego przez taki system wynosi zero. Każdy stan nieskończenie dużego układu jest zatem zupełnie nowy i niepowtarzalny:

Wraz z odkryciem drugiej zasady termodynamiki pojawiło się pytanie, jak pogodzić wniosek o wzroście entropii w układach zamkniętych (rosnąca niepewność, chaos) z procesami samoorganizacji w przyrodzie ożywionej, z teorią Darwina. W końcu pokazało, że proces rozwoju świata roślin i zwierząt charakteryzuje się ciągłym powikłaniem, wzrostem wysokości organizacji i porządku. Dzika przyroda z jakiegoś powodu starała się odejść od równowagi termodynamicznej i chaosu. Wystąpiła wyraźna rozbieżność pomiędzy prawami rozwoju przyrody nieożywionej i żywej.

Po zastąpieniu modelu stacjonarnego Wszechświata ewoluującym, w którym wyraźnie uwidoczniła się rosnąca złożoność organizacji obiektów materialnych – od elementarnych cząstek subelementowych w pierwszych chwilach po Wielkim Wybuchu po układy gwiazdowe i galaktyczne – pojawiła się rozbieżność pomiędzy prawa stały się jeszcze bardziej oczywiste. W końcu, jeśli zasada zwiększania entropii jest uniwersalna, to jak mogłaby taka być złożone struktury? Stało się jasne, że aby zachować spójność ogólnego obrazu świata, należy postulować w materii jako całości nie tylko tendencję destrukcyjną, ale i twórczą. Materia jest zdolna do działania wbrew równowadze termodynamicznej, samo-samorządności. organizowanie i staje się coraz bardziej złożone.

Postulat o zdolności materii do samorozwoju powstał w filozofii już dawno temu. Jednak dopiero niedawno zaczęto zdawać sobie sprawę z jego potrzeby w zakresie podstawowych nauk przyrodniczych. Badania wykazały, że procesy samoorganizacji zachodzą w układach o różnorodnej naturze, w tym także nieorganicznych. Wzorce te są badane metodą synergii – teoria samoorganizacji.

Nadszedł czas, aby zrozumieć drugi podstawowy postulat termodynamiki, który nazywa się. Drugie prawo nie jest możliwe do udowodnienia w ramach termodynamiki klasycznej. Jego formuły są wynikiem uogólnienia doświadczeń, obserwacji i eksperymentów. Opowiemy Ci o tym krótko i jasno.

W ostatnim artykule na temat termodynamiki mówiliśmy o układach termodynamicznych składających się z duża liczba cząsteczki. Aby opisać takie systemy, tzw funkcje państwowe .

Funkcja stanu termodynamicznego (lub potencjał termodynamiczny) to funkcja zależna od kilku niezależnych parametrów określających stan układu. Aby było to jaśniejsze, podamy przykład. Jedną z funkcji stanu układu jest jego energia wewnętrzna. Nie zależy to od tego, jak dokładnie system znalazł się w tym stanie

Kolejną koncepcją, z którą musisz się zapoznać, jest entropia . Aby zrozumieć drugą zasadę termodynamiki, entropia jest bardzo ważna. A także to piękne słowo, co wielu dezorientuje i które można wykorzystać do popisywania się w towarzystwie.

W samym przypadek ogólny, entropia – miara losowości układu

Prosty przykład : Wyobraźmy sobie, że masz szufladę ze skarpetkami. Jeśli wszystkie skarpetki w szufladzie zostaną porozrzucane i pomieszane, pojedynczo, entropia takiego układu będzie maksymalna. A jeśli skarpetki zostaną zebrane w pary i ułożone starannie w rzędzie - minimalne.

W termodynamice entropia jest funkcją stanu układu termodynamicznego, która określa miarę nieodwracalnego rozpraszania energii. Co to znaczy? Oznacza to, że jakaś część energia wewnętrzna system nie może wejść w ten popełniony przez system praca mechaniczna. Przykładowo procesowi zamiany ciepła na pracę mechaniczną zawsze towarzyszą straty, w wyniku których ciepło zamieniane jest na inny rodzaj energii.

Podczas nieodwracalnych procesów termodynamicznych wzrasta, podczas procesów odwracalnych pozostaje stała. Matematyczny zapis entropii (S):

Tutaj delta Q to ilość ciepła dostarczonego lub usuniętego z układu, T to temperatura układu, dS to zmiana entropii.

Istnieje kilka różnych sformułowań drugiej zasady termodynamiki, a oto jedno z nich:

Entropia układu zamkniętego wzrasta wraz z nieodwracalnymi procesami zachodzącymi w tym układzie

Ponieważ interesuje nas zrozumienie istoty rzeczy, podamy inną, bardzo prostą definicję:

Nawiasem mówiąc, to sformułowanie drugiej zasady termodynamiki należy do Rudolfa Clausiusa, który wprowadził to pojęcie entropia .

I znowu perpetuum mobile

Po rozczarowaniu ideą perpetuum mobile pierwszego rodzaju, ludziom nawet nie przyszło do głowy, żeby się poddać. Po pewnym czasie wynaleziono maszynę perpetuum mobile drugiego rodzaju, której działanie opierało się na przekazywaniu ciepła i nie było sprzeczne z prawem zachowania energii. Taki silnik zamienia całe ciepło otrzymane od otaczających ciał na pracę. Przykładowo jego wdrożenie miało wytworzyć ogromną ilość ciepła poprzez ochłodzenie oceanu. Ale na szczęście nie doszło do ochłodzenia oceanu i zamrożenia ryb, bo... ten pomysł zaprzecza drugiej zasadzie dynamiki. Sprawność żadnej maszyny nie może być równa jedności, tak jak ciepła nie można całkowicie przekształcić w pracę. Zatem niezależnie od tego, jak bardzo się starasz, nie da się stworzyć perpetuum mobile drugiego rodzaju, podobnie jak perpetuum mobile pierwszego rodzaju.

Śmierć cieplna Wszechświata

Od czasu wprowadzenia pojęcia entropii przez Rudolfa Clausiusa w 1865 roku pojawiło się wiele kontrowersji, spekulacji i teorii wokół tego pojęcia. Jedną z nich jest hipoteza o śmierć cieplna wszechświata, sformułowany przez samego Clausiusa w oparciu o drugą zasadę termodynamiki.

Teoria ta, sformułowana przez Clausiusa, stwierdza, że Wszechświat, jak każdy układ zamknięty, dąży do stanu równowagi termodynamicznej, charakteryzującej się maksymalną entropią i całkowita nieobecność procesy makroskopowe, co z kolei nadaje sens znanemu pojęciu czasu. Według Clausiusa: „ Energia świata pozostaje stała. Entropia świata dąży do maksimum” . Oznacza to, że gdy Wszechświat osiągnie stan równowagi termodynamicznej, wszystkie procesy ustaną, a świat pogrąży się w stanie „śmierci cieplnej”. Temperatura w dowolnym punkcie Wszechświata będzie taka sama, nie będzie już żadnych przyczyn, które mogłyby powodować zajście jakichkolwiek procesów.

Koncepcja śmierci termicznej Wszechświata była dość rozpowszechniona w niedawnej przeszłości i była przedmiotem aktywnej debaty. I tak w książce Jeansa „Wszechświat wokół nas” (1932) można znaleźć następujące wersety dotyczące śmierci termicznej Wszechświata: „Wszechświat nie może istnieć wiecznie; prędzej czy później musi nadejść czas, kiedy osiągnie ostatni erg energii najwyższy stopień na drabinie spadającej użyteczności i w tym momencie aktywne życie Wszechświat będzie musiał się skończyć”.

Formułując swoją teorię, Clausius odwołał się w swoim rozumowaniu do następujących ekstrapolacji (przybliżeń):

Wszechświat uważany jest za układ zamknięty.
Ewolucję świata można opisać jako zmianę jego stanów.

Ciekawy fakt : Rozumowanie o śmierci cieplnej pozwoliło Kościołowi stwierdzić, że z naukowego punktu widzenia (m.in. dzięki teorii Clausiusa) można znaleźć przesłanki wskazujące na istnienie Boga. I tak w 1952 roku na posiedzeniu „Papieskiej Akademii Nauk” papież Pius XII powiedział w swoim przemówieniu: „Prawo entropii, odkryte przez Rudolfa Clausiusa, dało nam pewność, że spontaniczne naturalne procesy zawsze wiążą się z pewną utratą darmowej, użytecznej energii, z czego wynika, że w zamkniętym układzie materialnym ostatecznie te procesy w skali makroskopowej kiedyś ustaną. Ta smutna konieczność... wymownie świadczy o istnieniu Bytu Koniecznego.

Obalenie teorii śmierci cieplnej Wszechświata

Jak zauważył powyżej Clausius, przy wyprowadzaniu jego teorii wykorzystano pewne ekstrapolacje. Dziś, mimo pewnych trudności, możemy śmiało powiedzieć, że takie wnioski są antynaukowe. Rzecz w tym, że są pewne Granice stosowania drugiej zasady termodynamiki: dolna i górna. Zatem drugiej zasady termodynamiki nie można zastosować do opisu mikroukładów, których rozmiary są porównywalne z rozmiarami cząsteczek, a także do makroukładów składających się z nieskończonej liczby cząstek, tj. dla Wszechświata jako całości.

Właściwie pierwszym naukowcem, który ustalił statystyczny charakter drugiej zasady termodynamiki i przeciwstawił tzw. hipotezę fluktuacji teorii śmierci termicznej Wszechświata, był wybitny fizyk materialista Boltzmann. Istnieje wzór Boltzmanna, który pozwala nam podać statystyczną interpretację drugiej zasady termodynamiki

Tutaj S jest entropią układu, k jest stałą Boltzmanna, P jest termodynamicznym prawdopodobieństwem stanu, które określa liczbę mikrostanów układu odpowiadających danemu makrostanowi. Zgodnie ze wzorem Boltzmanna,

Oznacza to, że termodynamiczne prawdopodobieństwo stanu izolowanego układu dla wszystkich zachodzących w nim procesów nie może się zmniejszyć. Jednak od dla układów składających się z nieskończonej liczby cząstek wszystkie stany będą jednakowo prawdopodobne; powyższa zależność nie dotyczy Wszechświata. W takich systemach są znaczące wahania(wahania - odchylenie prawdziwe znaczenie pewną wartość od wartości średniej), reprezentującą odchylenia od drugiej zasady termodynamiki. Według Boltzmanna stan równowagi termodynamicznej jest tylko najpowszechniejszym i najbardziej prawdopodobnym; Wraz z tym w układzie równowagi mogą spontanicznie powstawać dowolnie duże wahania. Oznacza to, że we Wszechświecie, który jest w stanie równowagi termodynamicznej, nieustannie powstają fluktuacje, a jedną z takich fluktuacji jest obszar przestrzeni, w którym się znajdujemy.

Nowoczesne podejście z pewnością odrzuca teorię śmierci termicznej Wszechświata. Biorąc pod uwagę ogromny wiek Wszechświata i fakt, że nie znajduje się on w stanie śmierci termicznej, można stwierdzić, że we Wszechświecie zachodzą procesy uniemożliwiające wzrost entropii, tj. procesy z ujemną entropią. Jednak wnioskom Boltzmanna, że we Wszechświecie dominuje stan równowagi termodynamicznej, coraz częściej zaprzecza rosnąca ilość materiału eksperymentalnego w astronomii. Materia ma niezapomnianą zdolność skupiania energii i przekształcania jednej formy ruchu w drugą. Na przykład proces powstawania gwiazd z rozproszonej materii podlega pewnym prawom i nie można go sprowadzić wyłącznie do przypadkowych wahań w rozkładzie energii we Wszechświecie.

Drodzy przyjaciele! Dziś dowiedzieliśmy się w miarę możliwości, jakie znaczenie ma pojęcie entropii dla drugiej zasady termodynamiki, dowiedzieliśmy się, że perpetuum mobile drugiego rodzaju jest niemożliwe, a także cieszyliśmy się, że śmierć termiczna Wszechświat jednak nie nastąpi. Jak zawsze mamy nadzieję, że spodobał Wam się nasz artykuł, w którym staraliśmy się opowiedzieć o termodynamice w prosty, zrozumiały i ciekawy sposób. Życzymy sukcesów na studiach i przypominamy, że zawsze jesteśmy gotowi doradzić, pomóc, doradzić i wziąć na siebie część Twoich obowiązków zawodowych. Ucz się i żyj dla własnej przyjemności!