Тепловая смерть Вселенной

Оглавление

Введение 2

1. Идея Тепловой смерти Вселенной 4

     1.1 Появление идеи Т.С.В. 4

     1.2 Взгляд на Т.С.В. из ХХ века 6

2. Закон возрастания энтропии 7

     2.1 Вывод закона возрастания энтропии 7

     2.2 Возможность энтропии во Вселенной 10

3. Тепловая смерть Вселенной в научной картине Мира\ 11

     3.1 Термодинамический парадокс 11

     3.2 Термодинамический парадокс в релятивистских космологических моделях 12

     3.3 Термодинамический парадокс в космологии и постнеклассическая картина мира 13

Заключение 17

Литература 21 
 

 

Введение 

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. 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.

 

1. Идея  Тепловой смерти  Вселенной 

1.1 Появление идеи Т.С.В.  

Угроза тепловой смерти Вселенной, как мы уже говорили ранее, 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 духе своего времени Ньютон призвал на помощь Господа Бога. Он и был  приставлен сэром Исааком к слежению за подзаводом и ремонтом этих "часов".

В рамках космологии термодинамический парадокс был  осознан в середине XIX в. Дискуссия  о парадоксе породила ряд блестящих  идей широкого научного значения ("шредингерово" объяснение Л. Больцманом "антиэнтропийности" жизни; введение им флуктуаций в термодинамику, фундаментальные следствия чего в физике не исчерпаны до сих пор; его же грандиозная космологическая  флуктуационная гипотеза, за концептуальные рамки которой физика в проблеме "тепловой смерти" Вселенной так  еще и не вышла; глубокая и новаторская, но тем не менее исторически ограниченная флуктуационная трактовка Второго  Начала. 
 
 
 

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  экстраполяциям:

1. Вселенная  рассматривается как замкнутая  система.

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

     тепловая  смерть вселенная энтропия

Для мира как  целого состояния с максимальной энтропией это имеет смысл, как  и для любой конечной системы. Но сама по себе правомочность этих экстраполяций весьма сомнительна, хотя связанные с ними проблемы представляют трудность и для современной  физической науки.

 

2. Закон  возрастания энтропии 

2.1 Вывод закона возрастания энтропии 

Применим неравенство  Клаузиуса для описания необратимого кругового термодинамического процесса, изображенного на рис 1. 

Рис.1. Необратимый круговой термодинамический  процесс 

Пусть процесс  будет необратимым, а процесс - обратимым. Тогда неравенство Клаузиуса для этого случая примет вид 

 

Так как  процесс  является обратимым, для него можно воспользоваться соотношением (3.53) , которое дает 

 

Подстановка этой формулы в неравенство  (3.55) позволяет получить выражение 

 

Сравнение выражений  (3.53) и (3.57) позволяет записать следующее неравенство 

 

в котором  знак равенства имеет место в  случае, если процесс  является обратимым, а знак больше, если процесс - необратимый.

Неравенство (3.58) может быть также записано и в дифференциальной форме 

 

Если  рассмотреть адиабатически изолированную  термодинамическую систему, для  которой  , то выражение (3.59) примет вид 

 

или в  интегральной форме 

 

2.2 Возможность энтропии во Вселенной 

В адиабатически  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.