Тепловая смерть Вселенной

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

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).

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 гипотезыПравить

 
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.

КритикаПравить

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 ВселеннойПравить

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 культуреПравить

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.

Музыкальная композиция «Неизбежность» группы Комплексные числа посвящена перспективам существования человечества вплоть до тепловой смерти Вселенной.

См. такжеПравить

КомментарииПравить

  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]

ПримечанияПравить

  1. WMAP – Fate of the Universe, WMAP's Universe, NASA.
  2. Главный редактор А. М. Прохоров. "ТЕПЛОВАЯ СМЕРТЬ" ВСЕЛЕННОЙ // Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия (рус.). — 1988. // Физическая энциклопедия. В 5-ти 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 (англ.) : 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

ЛитератураПравить

  • 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.

СсылкиПравить