Тепловая смерть Вселенной

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Уильям Томсон — в 1852 году выдвинул гипотезу о «тепловой смерти» Земли

Тепловая смерть Вселенной (Большое замерзание[источник не указан 124 дня]) — гипотеза, выдвинутая Р. Клаузиусом как экстраполяция второго начала термодинамики на всю Вселенную. По мысли Клаузиуса, Вселенная должна прийти в состояние термодинамического равновесия, или «тепловой смерти»[1] (термин, описывающий конечное состояние любой замкнутой термодинамической системы).

Трактовка Клаузиусом второго начала термодинамики как абсолютного закона природы и некритическое перенесение им закономерностей земного макроскопического опыта на Вселенную в целом, рассматриваемую как изолированную систему, привели одного из творцов термодинамики к следующей формулировке второго начала[2]: «энтропия мира стремится к максимуму» (1865). Из этого положения вытекают два важных вывода[3]:

  • Через достаточно большой промежуток времени Вселенная приблизится к такому состоянию, когда её энтропия будет близка к максимальной величине; состояние Вселенной приблизится к равновесному, эволюция Вселенной остановится и все макроскопические процессы прекратятся — останется равномерно нагретая и равномерно распределённая в пространстве материя, наступит «тепловая смерть Вселенной».
  • Поскольку в настоящее время Вселенная далека от «тепловой смерти», хотя и движется в направлении к ней, то, следовательно, Вселенная имела начало и возникла в противоречии с имеющим абсолютное значение вторым законом термодинамики в результате некоего творческого акта, не подчиняющегося законам природы.

История гипотезы[править | править вики-текст]

В 1852 г. Уильям Томсон (барон Кельвин) сформулировал «принцип рассеяния энергии», из которого следовало, что спустя конечный промежуток времени Земля очутится в состоянии, непригодном для обитания человека[4]. 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[5]. 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.

На самом деле ни Клаузиус, ни Больцман не были правы, так как их модели не учитывали важный фактор. Вселенную необходимо рассматривать как гравитирующую систему. В то время как для идеального газа наиболее вероятно равномерное распределение частиц в пространстве, в системе гравитирующих частиц однородное распределение не соответствует максимальной энтропии.

Возражения против гипотезы «тепловой смерти Вселенной»[править | править вики-текст]

Один из аргументов против гипотезы «тепловой смерти Вселенной» 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»[6].

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 [7].

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 расчёты А. А. Фридмана, согласно которым Метагалактика (астрономическая Вселенная) нестационарна: она расширяется, и вещество в дальнейшем под действием сил тяготения распадается на 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[8]; даже сама постановка вопроса о «тепловой смерти Вселенной» представляется неправомерной[9].

Современное состояние вселенной[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

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)[10] после Большого взрыва, через который точно образовалась та вселенная.

В эпизоде The Late Philip J. Fry мультсериала Футурама герои воочию наблюдали тепловую смерть текущей и последующее рождение новой, полностью идентичной вселенной.

Критика[править | править вики-текст]

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 Эйнштейна, Фридмана и Гамова привела к ныне широко принятой релятивистско-термодинамической модели эволюции[11][неоднозначно].

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. «Тепловая смерть» Вселенной // Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.
  2. Алексеев, 1978, с. 159.
  3. Герасимов, 1970, с. 100—101.
  4. Второе начало термодинамики, 1934, с. 180—182.
  5. Галетич Юлия. Тепловая смерть Вселенной. astrotime.ru (2 августа 2011). Проверено 15 января 2014. Архивировано из первоисточника 3 декабря 2013.
  6. Бродянский В. М., Вечный двигатель, 1989, с. 148.
  7. Поляченок О. Г., Поляченок Л. Д., Физическая и коллоидная химия, 2008, с. 106.
  8. БСЭ, 3-е изд., т. 25, 1976, с. 443.
  9. Базаров, 2010, с. 84.
  10. http://www.bbc.co.uk/programmes/b007qltt и http://www.bbc.co.uk/doctorwho/s4/episodes/S3_11
  11. Эбелинг В., Энгель А., Файстель Р. Физика процессов эволюции. — 2001.

Литература[править | править вики-текст]

  • 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.
  • Поляченок О. Г., Поляченок Л. Д. Физическая и коллоидная химия. — Могилев: Могилев. гос. ун-т продовольствия, 2008. — 196 с.

Ссылки[править | править вики-текст]