Тепловая смерть вселенной

Тепловая  смерть Вселенной 

   Тепловая смерть Вселенной (Т.С.В.) - это 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. Клаузиусом (1865) на основе второго начала 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.

   Такое состояние соответствовало бы Т.С.В. Ещё до создания современной космологии были сделаны многочисленные попытки опровергнуть вывод о Т.С.В. Наиболее известна из них флуктуационная гипотеза Л. Больцмана (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. 

1. Идея Тепловой  смерти Вселенной

1.1 Появление идеи  Т.С.В. 

   Угроза тепловой смерти Вселенной была высказана в середине ХIХ в. Томсоном и Клаузиусом, когда был сформулирован закон возрастания энтропии в необратимых процессах. Тепловая смерть - это такое состояние вещества и энергии во Вселенной, когда исчезли градиенты параметров, их характеризующих.

   Развитие принципа необратимости, принципа возрастания энтропии состояло в распространении этого принципа на Вселенную в целом, что и было сделано Клаузиусом.

   Итак, согласно второму началу все физические процессы протекают в направлении передачи тепла от более горячих тел к менее горячим, а это означает, что медленно, но верно идет процесс выравнивания температуры во Вселенной. Следовательно, в будущем ожидается исчезновение температурных различий и превращение всей мировой энергии в тепловую, равномерно распределенную во Вселенной. Вывод Клаузиуса был следующим:

1. Энергия мира  постоянна

2. Энтропия мира  стремится к максимуму.

   Таким образом, тепловая смерть Вселенной означает полное прекращение всех физических процессов вследствие перехода Вселенной в равновесное состояние с максимальной энтропией.

   Больцман, открывший связь энтропии S и статистического веса P, считал, что нынешнее неоднородное состояние Вселенной есть грандиозная флуктуация*, хотя ее возникновение имеет ничтожно малую вероятность. Современники Больцмана не признавали его взглядов, что привело к жестокой критике его работ и, по-видимому, привело к болезненному состоянию и самоубийству Больцмана в 1906 г.

Обратившись к  исходным формулировкам идеи тепловой смерти Вселенной, можно видеть, что  они далеко не во всем соответствуют  их хорошо известным интерпретациям, сквозь призму которых эти формулировки нами обычно воспринимаются. Принято говорить о теории тепловой смерти или термодинамическом парадоксе В. Томсона и Р. Клаузиуса.

Но, во-первых, соответствующие  мысли этих авторов далеко не во всем совпадают, во-вторых, в приводимых ниже высказываниях ни теории, ни парадокса  не содержится.

   В. Томсон, анализируя проявляющуюся в природе общую тенденцию к рассеянию механической энергии, не распространял ее на мир как целое. Он экстраполировал принцип возрастания энтропии лишь на протекающие в природе крупномасштабные процессы.

   Напротив, Клаузиус предложил экстраполяцию этого принципа именно на Вселенную как целое, выступавшую для него всеобъемлющей физической системой. По словам Клаузиуса «общее состояние Вселенной должно все больше и все больше изменяться» в направлении, определяемом принципом возрастания энтропии и, следовательно, это состояние должно непрерывно приближаться к некоторому предельному состоянию Флуктуации и проблема физических границ 2-го Начала термодинамики. Пожалуй, впервые термодинамический аспект в космологии обозначил еще Ньютон. Именно он подметил эффект «трения» в часовом механизме Вселенной – тенденцию, которую в середине XIX в. назвали ростом энтропии. В рамках космологии термодинамический парадокс был осознан в середине XIX в.  

1.2 Взгляд на Т.С.В.  из ХХ века 

   Современное состояние науки также не согласуется с предположением о тепловой смерти Вселенной.

   Прежде всего, этот вывод имеет отношение к изолированной системе и не ясно, почему Вселенную можно относить к таким системам.

Во Вселенной  действует поле тяготения, которое не принималось Больцманом во внимание, а оно ответственно за появление Звезд и Галактик: силы тяготения могут привести к образованию структуры из хаоса, могут породить Звезды из Космической пыли.

   Интересно дальнейшее развитие термодинамики и с ней на идею о Т.С.В.. На протяжении XIX века были сформулированы основные положения (начала) термодинамики изолированных систем. В первой половине XX века термодинамика развивалась в основном не вглубь, а вширь, возникали различные ее разделы: техническая, химическая, физическая, биологическая и т. д. термодинамики. Только в сороковых годах появились работы по термодинамике открытых систем вблизи точки равновесия, а в восьмидесятых годах возникла синергетика. Последнюю можно трактовать как термодинамику открытых систем вдали от точки равновесия.

Итак, современное  естествознание отвергает концепцию  «тепловой смерти» применительно  к Вселенной в целом. Дело в  том, что Клаузиус прибегнул в  своих рассуждениях к следующим  выводам:

1. Вселенная  рассматривается как замкнутая система.

2. Эволюция мира  может быть описана как смена  его состояний.

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

   Но сама по себе правомочность этих выводов весьма сомнительна, хотя связанные с ними проблемы представляют трудность и для современной физической науки. 

2. Возможность энтропии во Вселенной 

В адиабтически изолированной термодинамической  системе энтропия не может убывать: она или сохраняется, если в системе происходят только обратимые процессы, или возрастает, если в системе протекает хотя бы один необратимый процесс.

     Записанное  утверждение является ещё одной  формулировкой второго начала  термодинамики.

     Таким  образом, изолированная термодинамическая система стремится к максимальному значению энтропии, при котором наступает состояние термодинамического равновесия.

     Необходимо  отметить, что если система не  является изолированной, то в  ней возможно уменьшение энтропии. Примером такой системы может  служить, например, обычный холодильник, внутри которого возможно уменьшение энтропии. Но для таких открытых систем это локальное понижение энтропии всегда компенсируется возрастанием энтропии в окружающей среде, которое превосходит локальное ее уменьшение.

     С  законом возрастания энтропии  непосредственно связан парадокс, сформулированный в 1852 году Томсоном (лордом Кельвином) и названый  им гипотезой тепловой смерти  Вселенной. Подробный анализ этой  гипотезы был выполнен Клаузиусом, который считал правомерным распространение на всю Вселенную закона возрастания энтропии. Действительно, если рассмотреть Вселенную как адиабатически изолированную термодинамическую систему, то, учитывая ее бесконечный возраст, на основании закона возрастания энтропии можно сделать вывод о достижении ею максимума энтропии, то есть состояния термодинамического равновесия. Но в реально окружающей нас Вселенной этого не наблюдается. 

3. Тепловая смерть  Вселенной в научной  картине Мира

3.1 Термодинамический  парадокс 

   Термодинамический парадокс в космологии, сформулированный во второй половине ХIХ века, непрерывно будоражит с тех пор научное сообщество. Дело в том, что он затронул наиболее глубинные структуры научной картины мира.

   Хотя многочисленные попытки разрешения этого парадокса приводили всегда лишь к частным успехам, они порождали новые, нетривиальные физические идеи, модели, теории. Термодинамический парадокс выступает неиссякаемым источником новых научных знаний. Вместе с тем, его становление в науке оказалось опутанным множеством предубеждений и совершенно неверных интерпретаций. Необходим новый взгляд на эту, казалось бы, довольно хорошо изученную проблему, которая приобретает нетрадиционный смысл в постнеклассической науке.

   Постнеклассическая наука, прежде всего, теория самоорганизации, проблему направленности термодинамических процессов в природе решает существенно иначе, чем наука классическая или неклассическая; это находит выражение в современной научной картине мира (НКМ).

   Как же на самом деле появился термодинамический парадокс в космологии? Нетрудно убедиться, что он был фактически сформулирован оппонентами Томсона и Клаузиуса, которые увидели противоречие между идеей тепловой смерти Вселенной и коренными положениями материализма о бесконечности мира в пространстве и времени. Формулировки термодинамического парадокса, которые мы встречаем у различных авторов, на редкость схожи, практически полностью совпадают. «Если бы учение об энтропии, было правильным, то предполагаемому им «концу» мира должно было бы соответствовать и «начало», минимум энтропии», когда температурное различие между обособленными частями Вселенной было бы наибольшим.

   В чем же состоит эпистемологическая природа рассматриваемого парадокса? Все цитированные авторы, по сути, приписывают ему философско-мировоззренческий характер. Но фактически здесь смешиваются два уровня знания, которые с нашей современной точки зрения следует различать. Исходным было все-таки возникновение термодинамического парадокса на уровне НКМ, на котором Клаузиус и осуществлял свою экстраполяцию возрастания принципа энтропии на Вселенную. Парадокс выступал как противоречие между выводом Клаузиуса и принципом бесконечности мира во времени, согласно космологии Ньютона. На том же уровне знания возникли и другие космологические парадоксы – фотометрический и гравитационный, причем их эпистемологическая природа была очень сходной.

   В самом деле, тепловая смерть Вселенной, даже если бы она произошла в каком-то отдаленном будущем, пусть даже через миллиарды или десятки миллиардов лет, все равно ограничивает «шкалу времени» человеческого прогресса.  

3.2 Термодинамический  парадокс в релятивистских  космологических  моделях 

   Новый этап анализа термодинамического парадокса в космологии связан уже с неклассической наукой. Он охватывает 30 – 60-е годы ХХ века. Наиболее специфическая его черта – переход к разработке термодинамики Вселенной в концептуальных рамках теории А.А. Фридмана.

   Обсуждались как модернизированные варианты принципа Клаузиуса, так и новая модель Толмена, в которой возможна необратимая эволюция Вселенной без достижения максимума энтропии. Модель Толмена в конечном счете получила перевес в признании научного сообщества, хотя и не дает ответа на некоторые «трудные» вопросы. Но параллельно развивался также квазиклассический «антиэнтропийный подход», единственная цель которого состояла в том, чтобы любой ценой опровергнуть принцип Клаузиуса, а исходной абстракцией был образ бесконечной и «вечно юной», как выражался Циолковский, Вселенной. На основе этого подхода был разработан ряд, так сказать, «гибридных» схем и моделей, для которых было характерно довольно искусственное сочетание не только старых и новых идей в области термодинамики Вселенной, но также оснований классической и неклассической науки.

  В 30 – 40-е годы наибольшим влиянием среди сторонников релятивистской космологии продолжала пользоваться идея тепловой смерти Вселенной. Энергичными сторонниками принципа Клаузиуса выступали, например, А. Эддингтон и Дж. Джинс, неоднократно высказывавшиеся по поводу как физического смысла этой проблемы, так и ее «человеческого измерения». Вывод Клаузиуса был ими транслирован в неклассическую картину мира и в некоторых отношениях адаптирован к ней.