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!

Второй закон (начало) термодинамики говорит о том, что внутренняя энергия тепла (теплота) не может самостоятельно переходить от менее нагретого объекта к более нагретому объекту.

В результате Второго закона термодинамики любая физическая система, не обменивающаяся энергией с другими системами, стремится к самому вероятному состоянию равновесия - к состоянию с наибольшей энтропией (величина характеризующая степень неупорядоченности и теплового состояния физической системы). Этот закон впервые был описан Сади Карно в 1824 году. Как следствие этого, уже в 1852 году Уильям Кельвин предложил гипотезу о грядущей в будущем “тепловой смерти Земли“ в ходе процесса остывания нашей планеты до безжизненного состояния. В 1865 году Рудольф Клаузиус распространил эту гипотезу уже на всю Вселенную.

В 1872 году австрийский физик Людвиг Больцман попытался количественно оценить энтропию с помощью формулы S = k * ln W (где, S - энтропия, k - константа Больцмана, W - количество микросостояний, реализующих макросостояние. Микросостояние - это состояние отдельной составляющей системы, а макросостояние - состояние системы в целом.

Ещё большим свидетельством справедливости гипотезы стало открытие – теплового излучения Вселенной, возникшего во время рекомбинации (соединения протонов и электронов в атомы) первичного водорода, которое случилось через 379 тысяч лет. Процесс рекомбинации происходит при температурах в 3 тысячи Кельвинов, в то же время текущая температура реликтового излучения, определенная по его максимуму составляет только 2.7 Кельвинов. Изучение реликтового излучения показало, что оно является изотропным (однородным) для любого направления на небе на уровне в 99.999%.

Астрономические наблюдения позволяют построить т.н. диаграмму Мадо («Madau-diagram»), которая показывает зависимость темпа звездообразования в зависимости от .

Изучение статистики квазаров (ядер активных галактик) позволяет независимо оценить темп звездообразования. Обзор 2DF, проведенный в 1997-2002 году на австралийском телескопе ААТ изучил около 10 тысяч квазаров на площади неба в 1.5 тысяч квадратных градусов в областях обоих галактических полюсов.

Другим доказательством верности теории будущей “тепловой смерти Вселенной“ стали исследования ядерной физики, которые показали, что энергия связи нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре растет по мере увеличения их числа в ядре большинства химических элементов.

Следствием этой зависимости стало то, что термоядерные реакции слияния с участием более легких химических элементов (к примеру, водорода и гелия) приводят к выделению значительно большего количества энергии в недрах звезд, чем термоядерные реакции с участием более тяжелых химических элементов. Кроме того теоретические исследования в конце 20 века предположили, что и не являются вечными, а постепенно испаряются под действием (гипотетическое излучение черных дыр, которое преимущественно состоит из фотонов).

Аргументы против гипотезы “тепловой смерти“ Вселенной

Сомнения в справедливости гипотезы неизбежной “тепловой смерти Вселенной” в будущем можно разделить на несколько моментов (см. иллюстрацию теории Большого разрыва Вселенной).

Существует неопределенность в прогнозировании будущих изменений объема нашей Вселенной. Существует как теория Большого разрыва Вселенной (ускоренного расширения Вселенной до бесконечности), так и теория Большого сжатия Вселенной (в будущем Вселенная начнет сжиматься). Неопределенность между этими вариантами вызвана недавними открытиями загадочной темной материи и энергии.

Существует неопределенностью в вопросе количества существующих Вселенных, и возможности связи между ними. С одной стороны фотометрический парадокс (парадокс Шезо - Ольберса) темного неба говорит о конечности размера и возраста нашей Вселенной, а так же об отсутствии её связи с другими Вселенными.

С другой стороны из принципа заурядности (принципа Коперника) следует, что наша Вселенная не уникальна, и должно существовать бесконечное множество других Вселенных с другим набором физических констант. Кроме того современная физика допускает существование пространственно-временных туннелей (кротовых нор) между разными Вселенными.

При охлаждении обычного вещества (переходе его в твердое состояние) его энтропия не увеличивается, а наоборот уменьшается:

Ключевыми моментами теории “тепловой смерти” Вселенной является возможность распада протона и существование “излучения Хокинга“, но эти гипотетические явления пока не доказаны экспериментально.

Существует большая неопределенность в вопросе влияния жизни и разума на динамику энтропии Вселенной. В вопросе влияния неразумных жизненных форм на энтропию Вселенной мало сомнений, что жизнь уменьшает энтропию. В качестве доказательств этого можно привести факты более сложной природы живых организмов по сравнению с любыми неорганическими химическими веществами. Поверхность нашей планеты за счет биосферы выглядит куда более разнообразной по сравнению с “мертвой“ поверхностью , или . Кроме того простейшие живые организмы замечены в деятельности по обогащению земной атмосферы кислородом (биогенный кислород), а так же генерированию богатых месторождений полезных ископаемых (биогенез).

В то же время остаётся без ответа вопрос о том, увеличивает или уменьшает энтропию Вселенной разумная жизнь (то есть человек)? С одной стороны человеческий мозг является наиболее сложной формой из известных среди живых организмов, как и то, что научно-технический прогресс позволил людям достичь невиданных высот в познании и конструирование, в том числе в синтезировании химических элементов и элементарных частиц, которых не наблюдается в природе. Современная человеческая цивилизация способна предотвращать крупные природные катастрофы (лесные пожары, наводнения, массовые эпидемии и т.д.) и в шаге от возможности предотвращения катастроф планетарного масштаба (падения небольших астероидов и комет).

С другой стороны человеческая цивилизация выделяется и “энтропийными“ тенденциями. Растет разрушительная мощь оружейных арсеналов вместе с увеличением числа опасных химических и ядерных производств, горная промышленность всего за десятилетия способна опустошить месторождения полезных ископаемых, которые накапливались на планете многие сотни миллионов лет. Развитие сельского хозяйства привело к обезлесению большей части поверхности нашей планеты, а так же способствует деградации почв и опутыванию. Браконьерство, выбросы парниковых газов (возможное окисление океана) и т.д. быстро сокращают биоразнобразие нашей планеты, в связи, с чем экологи причисляют нынешнее время к новому массовому вымиранию. Кроме того в последние десятилетия отмечено сильное снижение рождаемости и в наиболее развитых странах, не исключено что эта демографическая ситуация стала следствием запредельного усложнения быта человеческой цивилизации.

В связи со всеми этими тенденциями, ближайшее будущее человеческой цивилизации представляет собой огромное количество возможных вариантов: начиная от эпической картины космической колонизации всей галактики вместе со строительством сфер Дайсона, расцветом искусственного интеллекта и установлением контакта с внеземными цивилизациями вплоть до отката в вечное средневековье на планете с подорванными минеральными и биологическими ресурсами. Парадокс Ферми (Великое молчание Вселенной) добавляет ещё больше неопределенности в вопросе влияния жизни и разума на динамику энтропии Вселенной, так как существует огромный диапазон для его объяснения: от огромной редкости биосфер и разумных цивилизаций во Вселенной до гипотезы, что наша Земля представляет собой некий “заповедник“ или “матрицу“ в мире разумных сверхцивилизаций.

Современное представление о “тепловой смерти“ Вселенной

В настоящее время физики рассматривают следующую последовательность эволюции Вселенной в будущем при условии её дальнейшего расширения с текущей скоростью:

• 1-100 триллионов (1012) лет – завершение процессов образования звезд во Вселенной и угасание даже самых поздних красных карликов. После этого момента во Вселенной останутся только звездные остатки: черные дыры, нейтронные звезды и белые карлики.
• 1 квадратиллионов (1015) лет – все планеты покинут свои орбиты вокруг звезд в связи с гравитационными возмущениями от близких пролетов других звезд.
• 10-100 квинтиллионов (1018) лет – все планеты, коричневые карлики и звездные остатки покинут свои галактики по причине постоянных гравитационных возмущений друг от друга.
• 100 квинтиллионов (1018) лет – приблизительное время падения Земли на Солнце по причине излучения гравитационных волн, в случае если бы Земля пережила стадию красного гиганта и осталась бы на своей орбите.
• 2 анвигинтиллиона (1066) лет – приблизительное время полного испарения черной дыры массой с Солнце.
• 17 септдециллиардов (10105) лет – приблизительное время полного испарения черной дыры массой в 10 триллионов масс Солнца. Это время окончания эпохи черных дыр.

В дальнейшем будущее Вселенной распадается на два возможных варианта в зависимости от того является ли протон стабильной элементарной частицей или нет:

• А) Протон является нестабильной элементарной частицей;
• А1) 10 дециллионов (1033) лет – наименьшее возможное время полураспада протона согласно экспериментам ядерных физиков на Земле;
• А2) 2 ундециллиона (1036) лет – наименьшее возможное время распада всех протонов во Вселенной;
• А3) 100 додециллионов (1039) лет – наибольшее возможное время полураспада протона, которое следует из гипотезы, что Большой взрыв объясняется инфляционными космологическими теориями, и что распад протона вызван тем же процессом, который ответственен за преобладание барионов над антибарионами в ранней Вселенной;
• А4) 30 тредециллионов (1041) лет – максимальное возможное время распада всех барионов во Вселенной. После этого времени должна начаться эпоха черных дыр, так как они останутся единственными существующими небесными объектами во Вселенной;
• А5) 17 септдециллиардов (10105) лет – примерное время полного испарения даже наиболее массивных черных дыр. Это время окончания эпохи черных дыр, и наступления эпохи вечной тьмы, в которой все объекты Вселенной распались до субатомных частиц и замедлились до наименьшего энергетического уровня.

Б) Протон стабильная элементарная частица;

Б1) 100 вигинтиллионов (1063) лет – время, за которое все тела в твердой форме даже при абсолютном нуле превратятся в “жидкообразное” состоянии, вызванное эффектом квантового туннелирования – миграцией в другие части кристаллической решетки;

Б2) 101500 лет – появление гипотетических железных звезд по причине процессов холодного нуклеосинтеза, идущего путём квантового туннелирования, в ходе которого легкие ядра преобразуются в наиболее стабильный изотоп – Fe56 (по другим сведениям самым стабильным изотопом является никель-62, который обладает наиболее высокой энергией связи.). Одновременно тяжелые ядра также превращаются в железо по причине радиоактивного распада;

Б3) 10 в 1026 – 10 в 1076 лет – оценка диапазона времени в течение которого все вещество во Вселенной аккрецирует в черные дыры.

Эпоха черных дыр

И в заключение можно отметить предположение, что после 10 в 10120 лет все вещество во Вселенной достигнет минимального энергетического состояния. То есть это и будет гипотетическое наступление “тепловой смерти“ Вселенной. Кроме того у математиков существует понятие времени возврата Пуанкаре.

Это понятие означает вероятность того, что рано или поздно любая часть системы вернется в свое первоначальное состояние. Хорошей иллюстрацией этого понятия является вариант, когда в сосуде, разделенном на две части перегородкой, в одной из частей находится некий газ. Если убрать перегородку, то все равно рано или поздно наступит время, когда все молекулы газа окажутся в исходной половине сосуда. Для нашей Вселенной время возврата Пуанкаре оценивается фантастически большой величиной.

Теория “тепловой смерти“ Вселенной стала популярна и в массовой культуре. Хорошей иллюстрацией этой теории стал клип группы Комплексные числа: “Неизбежность”, а так же научно-фантастический рассказ Айзека Азимова “Последний вопрос”.

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Материальное единство мира проявляется в абсолютности и вечности материи, ее несотворимости и неуничтожимости. Материальное единство мира выражается в возможности превращения одних форм материи и движения в другие. В середине XIX в. был открыт фундаментальный закон природы - закон сохранения энергии. «Закон сохранения и превращения энергии устанавливает не только то, что при превращениях одних видов энергии в другие остается постоянным ее численное значение, но и то, что каждый вид энергии (электромагнитная, тепловая, механическая) обладает способностью при определенных условиях превращаться в другие ее виды. Он свидетельствует о неуничтожимости движения не только в количественном (непрекращаемость), но и в качественном отношении (безграничная способность каждой формы движения превращаться в другие)» 1 .

Казалось бы, из этого закона неизбежно вытекает следствие о вечном круговороте материи во Вселенной. В самом деле, если в Природе при всех своих изменениях материя, т.е. та реальность, из которой состоит мир, не исчезает и не возникает из ничего, а лишь переходит из одной формы существования в другую, то Вселенная вечна, и материя, ее составляющая, пребывает в вечном круговороте. Вселенная в целом всегда одна и та же - убеждение в этом в XIX в. было почти всеобщим.

Немецкий физик Р. Клаузиус и английский физик В. Томпсон (лорд Кельвин), исходя из второго закона термодинамики, предположили, что «в системе, предоставленной самой себе, рано или поздно происходит выравнивание температур, и тепловая энергия как бы деградирует в качественном отношении. Она теряет способность превращаться в другие формы энергии» . Термодинамика - раздел физики, изучающий природу тепловых процессов и различные превращения тепловой энергии. То, что тепловая энергия, как и другие виды энергии, не исчезает при своих превращениях и не возникает из ничего, есть частное выражение общего закона сохранения энергии. В такой формулировке он называется первым законом термодинамики. Второй же закон термодинамики говорит не о количестве энергии, а о ее качестве или, точнее, об обесценивании энергии.

«Распространение действия второго начала термодинамики на всю Вселенную ведет к выводу, что со временем все виды энергии перейдут в тепловую, а последняя в силу выравнивания температур потеряет способность превращаться в другие виды энергии, и Вселенная придет в состояние теплового равновесия, выход из которого естественным путем невозможен. Наступление состояния теплового равновесия будет означать тепловую смерть Вселенной. Теория тепловой смерти Вселенной не отрицает количественного сохранения энергии, но отрицает качественную неуничтожимость энергии и движения» 1 .

В ходе рассуждений о «тепловой смерти» Клаузиус ввел некоторую математическую величину, названную им энтропией. В буквальном переводе с греческого языка «энтропия» означает «обращение внутрь», т.е. замыкание в себе, «неиспользование». По существу же энтропия есть мера беспорядка в какой-либо системе тел. Чем больше беспорядок, тем больше и энтропия.

П.В. Алексеев и А.В. Панин отмечают, что «энтропия является физической величиной, характеризующей процессы превращения энергии. Согласно закону возрастания энтропии, при реальных термодинамических процессах энтропия замкнутой системы возрастает. Закон возрастания энтропии определяет течение энергетических превращений: все они в замкнутых системах происходят в одном направлении. Достижение термодинамической системой состояния с максимальной энтропией соответствует достижению состояния теплового равновесия. Это означает, что в системе, предоставленной самой себе, рано или поздно происходит выравнивание температур, и тепловая энергия как бы деградирует в качественном отношении. Она теряет способность превращаться в другие формы энергии» .

Р. Клаузиус утверждал, что найден закон Природы, дающий нам возможность уверенно заключить, что во Вселенной нет всеобщего круговорота, что она все дальше и дальше меняет свое состояние в определенном направлении и приближается таким образом к известному пределу. Немецкий физик полагал, что энергия мира постоянна, а энтропия мира стремится к максимуму.

Ошеломляющее впечатление, произведенное на естествоиспытателей XIX в. вторым законом термодинамики, было особенно сильно еще и потому, что вокруг себя в окружающей нас природе они не видели фактов, его опровергающих. Наоборот, все, казалось, подтверждало мрачные прогнозы Клаузиуса. Однако были и попытки опровержения данных прогнозов. В 1895 г. немецкий физик Л. Больцман предложил свою флуктуационную гипотезу «второго начала». Эта гипотеза исходила «из допущения, что бесконечная Вселенная уже достигла состояния термодинамического равновесия, то есть тепловой смерти. Но вследствие статистического характера принципа возрастания энтропии возможны макроскопические отклонения от состояния равновесия - флуктуации. Одну из них представляет и наблюдаемая нами область Вселенной» 1 . Однако в целом Вселенная в основном представляет безбрежный мертвый океан с некоторым количеством островков жизни, как полагал Л. Больцман.

Известные физики XX в. Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшиц доказали, что любая замкнутая система может достичь максимальной энтропии лишь при постоянных, неизменных внешних условиях. Между тем гравитация как свойство четырехмерного пространства-времени повсюду во Вселенной весьма непостоянна. Отсюда следует, что Вселенная никогда не придет к состоянию мертвого равновесия. «Второе начало» термодинамики, по существу, утверждает необратимость всех процессов в Природе. Это означает, что Природа развивается, никогда не повторяя предшествующие состояния. Следовательно, Вселенная в том виде, в каком мы ее знаем, вышла из какого-то иного, неизвестного нам состояния материи и перейдет со временем в какие-то другие формы существования. Вполне возможно, что для таких форм нынешние, известные нам законы Природы окажутся неприменимыми. Но это вовсе не означает смерть Вселенной, а лишь завершение одного из этапов развития материи.

С точки зрения синергетики (эта теория возникла сравнительно недавно), изучающей процессы самоорганизации в сложных открытых нелинейных системах, в самой Вселенной могут присутствовать природные явления антиэнтропийного характера.

В последнее время большие дискуссии в науке вызывает антропный принцип. «Основная идея этого принципа состоит в том, что фундаментальные свойства Вселенной, значения основных физических констант и даже форма физических закономерностей тесно связаны с фактом структурности Вселенной во всех масштабах - от элементарных частиц до сверхскоплений галактик - с возможностью существования условий, при которых возникают сложные формы движения материи, жизнь и человек» .

Приведем еще одну формулировку антропного принципа, предложенную Б. Картером: «Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некотором этапе эволюции допускалось существование наблюдателей» . Другими словами, появление человека обусловлено самим устройством Вселенной. Приведенные две формулировки антропного принципа являются слабыми.

Существует также сильная формулировка антропного принципа: «Наблюдатели необходимы для того, чтобы сделать Вселенную существующей» . Автором данной формулировки является Дж. У ил- лер.

«Солнце сделается темным, как власяница, и луна не даст света своего… Силы небесные поколеблются и все стихии угаснут…» Эти слова были произнесены около двух тысяч лет назад, в художественных образах описывая, как будет происходить конец времен или тепловая смерть Вселенной. Но прошло восемнадцать веков, пока исследователи подошли к изучению этой проблемы с научной точки зрения. На самом деле, как только человечество открыло для себя основные этот вопрос рано или поздно должен был возникнуть. Рассуждая логически, если какой-либо природный принцип действует в замкнутой системе, почему бы не предположить, что эта самая тенденция работает применительно ко всему универсуму?

Впервые гипотеза тепловой смерти Вселенной была выдвинута Уильямом Томпсоном в 1852 году, но позже, в 1865 году, ее более подробно сформулировал Р. Клаузиус. Он экстраполировал на космос Согласно этому правилу, всякая замкнутая система стремится к равновесию, когда энергия излучения переходит в тепловую. «Смерть» наступает, когда достигается максимальный уровень энтропии. В этот момент никакого обмена энергией не происходит, поскольку вся она переходит в тепло. А поскольку нет оснований предполагать, что кроме космоса существует еще что-либо, то, делает вывод Клаузиус, нашу Вселенную также можно рассматривать как замкнутую систему, и в ней действует тот же закон.

Естественно, ни Томпсон, ни Клаузиус даже не предполагали, что тепловая смерть Вселенной произойдет в скором времени, однако прогнозы даже очень отдаленного конца света наделали много шума в научном сообществе и породили разнообразные опровержения такой гипотезы. Еще в 1872 году ученый Л. Больцман выдвинул теорию флуктуаций. Согласно ей, наша Вселенная слишком огромна и сложна, чтобы умереть такой простой смертью. Она вечно пребывала и будет пребывать в состоянии изотермического равновесия, однако в разных ее частях постоянно происходят и всегда будут происходить отклонения от этого состояния. То есть такие всплески, выбросы энергии не дадут запуститься механизму перевода всей энергии универсума в тепловую.

Современная наука ни подтвердила, ни опровергла гипотезу о том, что тепловая смерть Вселенной неминуемо наступит. Концепция Большого Взрыва, якобы произошедшего около 14 миллиардов лет тому назад и породившего всё, не доказывает еще, что в космосе действует лишь Нужно также учитывать действие переменного Особого внимания заслуживает теория А. Фридмана: наполненная тяготеющим веществом Вселенная не стационарна, она или расширяется, или сжимается. А если так, все возрастающая энтропия не приводит систему в целом к

Тепловая смерть Вселенной может быть поставлена под вопрос и с позиций общей теории относительности. Мы до сих пор слишком мало знаем о нашем мире, чтобы судить со стопроцентной достоверностью, замкнут ли наш мир и существует ли за его пределами что-то еще. Возможно, на него действуют иные внешние силы и системы? Законы физики, известные нам, не обязательно должны быть применимы в масштабе безграничного космоса, - говорят защитники вечности излучения во Вселенной. Звезды загораются и гаснут, но сама система находится в равновесии, что, однако, не приводит к тепловой смерти всего.

Несмотря на то, что концепция о возможной кончине Вселенной ни подтверждена, ни опровергнута современной наукой, этот вопрос стал волновать не только «физиков», но и «лириков». Особенно черпают вдохновение в возможной гибели всего живого писатели-фантасты. Так, Айзек Азимов предрек в буквальном смысле леденящий конец всякой жизни в своем рассказе «Последний вопрос». Тепловая смерть всей органики легла в основу сюжетов многих японских мультфильмов и аниме-сериалов.

> Тепловая смерть

Изучите гипотезу тепловой смерти Вселенной. Читайте концепцию и теорию тепловой смерти, роль энтропии Вселенной, термодинамическое равновесие, температура.

Вселенская энтропия постоянно растет. Ее цель – термодинамическое равновесие, которое приведет к тепловой смерти .

Задача обучения

• Рассмотреть процессы, ведущие к проблеме тепловой смерти Вселенной.

Основные пункты

• В ранней Вселенной вся материя и энергия легко заменялись и были идентичны по природе.
• С ростом энтропии все меньше энергии открывало доступ работе.
• Вселенная стремится к термодинамическому равновесию – максимальная энтропия. Это тепловая смерть и конец активности всего.

Термины

• Астероид – естественное твердое тело, уступающее по размерам планете, и не выступает кометой.
• Энтропия – мера распределения равномерной энергии в системе.
• Геотермальный – относится к тепловой энергии, поступающей из глубинных земных резервуаров.

В ранней Вселенной материя и энергия были идентичны по природе и легко заменялись. Конечно, главную роль во многих процессах сыграла гравитация. Это казалось беспорядочным, но для работы предлагалась вся будущая вселенская энергия.

Пространство развивалось, и возникли различия в температуре, создавшие для работы больше возможностей. Звезды превосходят по нагреву планеты, которые опережают астероиды, а те теплее вакуума. Многие остывают из-за насильственного вмешательства (ядерный взрыв у звезд, вулканическая активность у Земли и т.д). Если не получить дополнительную энергию, то их дни сочтены. Ниже представлена карта Вселенной.

Это совсем юная Вселенная с колебаниями в температуре (выделены цветами), соответствующие зернышкам, ставшим галактиками

Чем выше становилась энтропия, тем меньше энергии поступало в работу. Земля обладает крупными энергетическими запасами (ископаемые и ядерное топливо), огромными разницами температур (энергия ветра), геотермальная энергия из-за разности в температурных отметках земных слоев и приливная энергия воды. Но некая часть их энергии никогда не пойдет в работу. В итоге, все виды топлива исчерпаются, а температуры выровняются.

Вселенная воспринимается как замкнутая система, поэтому пространственная энтропия всегда увеличивается, а количество доступной для работы энергии уменьшается. В конце концов, когда взорвутся все звезды, используются все формы потенциальной энергии, а температуры выровняются, работа станет просто невозможной.

Наша Вселенная стремится к термодинамическому равновесию (максимальная энтропия). Часто такой сценарий именуют тепловой смертью – остановка всей активности. Но пространство продолжает расширяться и до конца еще слишком далеко. При помощи подсчетов по черным дырам выяснилось, что энтропия продолжится еще 10 100 лет.