Тепловая смерть Вселенной

Теплова́я смерть Вселе́нной, также Большо́е замерза́ние[1] — гипотеза, выдвинутая Р. Клаузиусом в 1865 году на основании экстраполяции второго начала термодинамики на всю Вселенную. По мысли Клаузиуса, Вселенная с течением времени должна в конце концов прийти в состояние термодинамического равновесия, или «тепловой смерти»[2] (термин, описывающий конечное состояние любой замкнутой термодинамической системы).

Фрагмент страницы из книги Клаузиуса со знаменитым высказыванием: «Энергия мира постоянна. Энтропия мира стремится к максимуму»

Если Вселенная является плоской или открытой, то она будет расширяться вечно (см. «Вселенная Фридмана») и ожидается, что в итоге такой эволюции она достигнет состояния «тепловой смерти»[3]. Если космологическая константа положительна, на что указывают последние наблюдения, Вселенная в конечном счёте приблизится к состоянию максимальной энтропии[4].

История гипотезы
Рудольф Клаузиус — в 1865 году выдвинул гипотезу о «тепловой смерти» Вселенной
Уильям Томсон — в 1852 году выдвинул гипотезу о «тепловой смерти» Земли

В 1852 году Уильям Томсон (барон Кельвин) сформулировал «принцип рассеяния энергии», из которого следовало, что спустя конечный промежуток времени Земля очутится в состоянии, непригодном для обитания человека[5]. Это была первая формулировка идей о «тепловой смерти», пока только Земли.

Вывод о тепловой смерти Вселенной был сформулирован Р. Клаузиусом в 1865 году на основе второго начала термодинамики. Согласно второму началу, любая физическая система, не обменивающаяся энергией с другими системами, стремится к наиболее вероятному равновесному состоянию — к так называемому состоянию с максимумом энтропии. Такое состояние соответствовало бы тепловой смерти Вселенной[6]. Ещё до создания современной космологии были сделаны многочисленные попытки опровергнуть вывод о тепловой смерти Вселенной. Наиболее известна из них флуктуационная гипотеза Л. Больцмана (1872 год), 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.

Критика

Один из аргументов против гипотезы «тепловой смерти Вселенной»[K 1] основан на представлении о бесконечности Вселенной, так что законы термодинамики, базирующиеся на изучении объектов конечных размеров, ко Вселенной не применимы в принципе. М. Планк по этому поводу заметил: «Едва ли вообще есть смысл говорить об энергии или энтропии мира, ибо такие величины не поддаются точному определению»[8].

Возражения против гипотезы «тепловой смерти Вселенной» со стороны статистической физики сводятся к тому, что абсолютно запрещаемые вторым началом процессы со статистической точки зрения просто маловероятны. Для обычных макросистем и статистические, и феноменологические законы ведут к одним и тем же выводам. Однако для систем с малым числом частиц или для бесконечно большой системы, или для бесконечно большого времени наблюдения самопроизвольные процессы, нарушающие второе начало термодинамики, становятся допустимыми[9]. Кроме того в закрытых и изолированных системах (содержащих подсистемы), объединенных общим правилом неубывания энтропии, все же возможны устойчивые неравновесные стационарные состояния. При этом такие состояния возможно индуцировать в системе уже находящейся в термодинамическом равновесии. Такая система будет иметь максимальную энтропию, а производство энтропии будет равно нулю, что не противоречит второму началу. В теории такие состояния могут длиться бесконечно[10][11].


В современной космологии учёт гравитации приводит к выводу о том, что однородное изотермическое распределение вещества во Вселенной не является наиболее вероятным и не соответствует максимуму энтропии.

Наблюдения подтверждают теорию А. А. Фридмана, согласно которой Метагалактика (астрономическая Вселенная) нестационарна: в настоящее время она расширяется, а вещество под действием силы тяготения конденсируется в отдельные объекты, образуя скопления галактик, галактики, звёзды, планеты. Все эти процессы естественны, идут с ростом энтропии и для своего объяснения не требуют модификации законов термодинамики[12]; даже сама постановка вопроса о «тепловой смерти Вселенной» представляется неправомерной[13].

Сколь ни сомнительным может казаться с современной точки зрения вывод Клаузиуса о «тепловой смерти» Вселенной, именно этот вывод послужил толчком к развитию теоретической мысли, которая в работах А. Эйнштейна, А. А Фридмана и Г. А. Гамова привела к ныне широко принятой релятивистско-термодинамической модели эволюции[14][неоднозначно].

Современное состояние Вселенной
Основная статья: Реликтовое излучение

На современном этапе существования (13,72 млрд лет) Вселенная излучает как абсолютно чёрное тело с температурой 2,725 К. Максимум спектра излучения приходится на частоту 160,4 ГГц (микроволновое излучение), что соответствует длине волны 1,9 мм. Оно изотропно с точностью до 0,001 %.

В культуре

Теме тепловой смерти Вселенной посвящён ряд научно-фантастических рассказов (например, рассказ «Последний вопрос» Айзека Азимова). Также данная тема легла в основу сюжета аниме «Mahou Shoujo Madoka Magica».

Во вселенной британского телесериала «Доктор Кто» именно это конечное состояние произошло через 100 триллионов лет (показано в эпизоде «Утопия»)[15] после Большого взрыва, через который образовалась вселенная.

В эпизоде The Late Philip J. Fry мультсериала «Футурама» герои воочию наблюдали тепловую смерть текущей и последующее рождение новой, практически полностью идентичной вселенной. Новая вселенная оказалась сдвинута на 1 метр относительно прежней.

См. также

Комментарии
  1. Термодинамика не даёт оснований для предположения, что вселенная гибнет. Выигрыш энтропии всегда означает проигрыш в осведомленности и ничего больше.
    — Г. Н. Льюис. Цитируется по [7]

Примечания
  1. WMAP — Fate of the Universe, WMAP’s Universe, NASA.
  2. Главный редактор А. М. Прохоров. "ТЕПЛОВАЯ СМЕРТЬ" ВСЕЛЕННОЙ // Физическая энциклопедия. В пяти томах. — М.: Советская энциклопедия. — 1988. // Физическая энциклопедия. В пяти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.
  3. Plait, Philip Death From the Skies!, Viking Penguin, NY, ISBN 978-0-670-01997-7, p. 259
  4. Lisa Dyson, Matthew Kleban, Leonard Susskind: «Disturbing Implications of a Cosmological Constant»
  5. Второе начало термодинамики, 1934, с. 180—182.
  6. Галетич Юлия. Тепловая смерть Вселенной. astrotime.ru (2 августа 2011). Дата обращения: 15 января 2014. Архивировано 3 декабря 2013 года.
  7. Жуковский В. С., Техническая термодинамика, 1940, с. 156.
  8. Бродянский В. М., Вечный двигатель, 1989, с. 148.
  9. Поляченок О. Г., Поляченок Л. Д., Физическая и коллоидная химия, 2008, с. 106.
  10. Lemishko, Sergey S.; Lemishko, Alexander S. Cu2+/Cu+ Redox Battery Utilizing Low-Potential External Heat for Recharge (англ.) // The Journal of Physical Chemistry C : journal. — 2017. — 30 January (vol. 121, no. 6). — P. 3234—3240. — doi:10.1021/acs.jpcc.6b12317.
  11. Lemishko, Sergey S.; Lemishko, Alexander S. Non-equilibrium steady state in closed system with reversible reactions: Mechanism, kinetics and its possible application for energy conversion (англ.) // Results in Chemistry : journal. — 2020. — 8 February (vol. 2). — doi:10.1016/j.rechem.2020.100031.
  12. БСЭ, 3-е изд., т. 25, 1976, с. 443.
  13. Базаров, 2010, с. 84.
  14. Эбелинг В., Энгель А., Файстель Р. Физика процессов эволюции. — 2001.
  15. http://www.bbc.co.uk/programmes/b007qltt и http://www.bbc.co.uk/doctorwho/s4/episodes/S3_11

Литература
  • Алексеев Г. Н. Энергия и энтропия. — М.: Знание, 1978. — 192 с. — (Жизнь замечательных идей).
  • Базаров И. П. Термодинамика. — 5-е изд. — СПб.—М.—Краснодар: Лань, 2010. — 384 с. — (Учебники для вузов. Специальная литература). — ISBN 978-5-8114-1003-3.
  • Базаров И. П. Заблуждения и ошибки в термодинамике. — М.: УРСС, 2003. — 120 с. — ISBN 5-354-00391-1.
  • Большая Советская Энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М.: Советская Энциклопедия, 1976. — Т. 25: Струнино — Тихорецк. — 600 с.
  • Бродянский В. М. Вечный двигатель — прежде и теперь. От утопии — к науке, от науки — к утопии. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 256 с. — (Научно-популярная библиотека школьника). — ISBN 5-283-00058-3.
  • Второе начало термодинамики: Сади Карно — В. Томсон-Кельвин — Р. Клаузиус — Л. Больцман — М. Смолуховский / Под. ред. и с пред. А. К. Тимирязева. — М.—Л.: Гостехиздат, 1934. — 311 с.
  • Герасимов Я. И., Древинг В. П., Еремин Е. Н. и др. Курс физической химии / Под общ. ред. Я. И. Герасимова. — 2-е изд. — М.: Химия, 1970. — Т. I. — 592 с.
  • Жуковский В. С. Техническая термодинамика. — 2-е изд., перераб. — Л.—М.: Гостехиздат, 1940. — 336 с.
  • Поляченок О. Г., Поляченок Л. Д. Физическая и коллоидная химия. — Могилев: Могилев. гос. ун-т продовольствия, 2008. — 196 с.

Ссылки
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.