Проблема тепловой смерти вселенной


Появление теории в 19 веке

Рудольф Клаузис

В результате Второго закона термодинамики любая физическая система, не обменивающаяся энергией с другими системами, стремится к самому вероятному состоянию равновесия — к состоянию с наибольшей энтропией (величина характеризующая степень неупорядоченности и теплового состояния физической системы). Этот закон впервые был описан Сади Карно в 1824 году. Как следствие этого, уже в 1852 году Уильям Кельвин предложил гипотезу о грядущей в будущем “тепловой смерти Земли“ в ходе процесса остывания нашей планеты до безжизненного состояния. В 1865 году Рудольф Клаузиус распространил эту гипотезу уже на всю Вселенную.

В 1872 году австрийский физик Людвиг Больцман попытался количественно оценить энтропию с помощью формулы S = k * ln W (где, S — энтропия, k — константа Больцмана, W — количество микросостояний, реализующих макросостояние. Микросостояние — это состояние отдельной составляющей системы, а макросостояние — состояние системы в целом.


Наглядно об энтропии

В настоящее время энтропия видимой части нашей Вселенной оценивается примерно в 1088 или 10 октовигинтиллионов. Это значение примерно соответствует числу фотонов в нашей Вселенной, для сравнения число фотонов во Вселенной примерно в миллиард раз превышает число барионов (обычных элементарных частей состоящих из нескольких кварков – протонов, нейтронов, и т.д.).

Развитие теории в 20 веке

Открытие расширения Вселенной в 20 веке укрепило гипотезу будущей “тепловой смерти Вселенной“. Астрономические наблюдения наиболее удаленных частей наблюдаемой Вселенной показали, что наша Вселенная на масштабе в несколько сотен мегапарсек имеет неупорядоченный ячеистый вид, в котором сверхскопления галактик чередуются с огромными пустотами (войдами).

Крупномасштабная структура Вселенной

Ещё большим свидетельством справедливости гипотезы стало открытие реликтового излучения – теплового излучения Вселенной, возникшего во время рекомбинации (соединения протонов и электронов в атомы) первичного водорода, которое случилось через 379 тысяч лет. Процесс рекомбинации происходит при температурах в 3 тысячи Кельвинов, в то же время текущая температура реликтового излучения, определенная по его максимуму составляет только 2.7 Кельвинов. Изучение реликтового излучения показало, что оно является изотропным (однородным) для любого направления на небе на уровне в 99.999%.


Наглядная модель Вселенной

Астрономические наблюдения позволяют построить т.н. диаграмму Мадо («Madau-diagram»), которая показывает зависимость темпа звездообразования в зависимости от возраста Вселенной.

Эта диаграмма показывает, что пик звездообразования пришелся на 1-2 миллиард лет жизни нашей Вселенной

Изучение статистики квазаров (ядер активных галактик) позволяет независимо оценить темп звездообразования. Обзор 2DF, проведенный в 1997-2002 году на австралийском телескопе ААТ изучил около 10 тысяч квазаров на площади неба в 1.5 тысяч квадратных градусов в областях обоих галактических полюсов.

Другим доказательством верности теории будущей “тепловой смерти Вселенной“ стали исследования ядерной физики, которые показали, что энергия связи нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре растет по мере увеличения их числа в ядре большинства химических элементов.

Диаграмма показывает, что пик звездообразования пришелся на 1-2 миллиард лет жизни нашей Вселенной

Следствием этой зависимости стало то, что термоядерные реакции слияния с участием более легких химических элементов (к примеру, водорода и гелия) приводят к выделению значительно большего количества энергии в недрах звезд, чем термоядерные реакции с участием более тяжелых химических элементов. Кроме того теоретические исследования в конце 20 века предположили, что и черные дыры не являются вечными, а постепенно испаряются под действием “излучения Хокинга“ (гипотетическое излучение черных дыр, которое преимущественно состоит из фотонов).

Аргументы против гипотезы “тепловой смерти“ Вселенной


Иллюстрация теории Большого разрыва Вселенной

Сомнения в справедливости гипотезы неизбежной “тепловой смерти Вселенной” в будущем можно разделить на несколько моментов (см. иллюстрацию теории Большого разрыва Вселенной).

Существует неопределенность в прогнозировании будущих изменений объема нашей Вселенной. Существует как теория Большого разрыва Вселенной (ускоренного расширения Вселенной до бесконечности), так и теория Большого сжатия Вселенной (в будущем Вселенная начнет сжиматься). Неопределенность между этими вариантами вызвана недавними открытиями загадочной темной материи и энергии.

Иллюстрация теории бесконечного цикла сжатия и расширения Вселенной

Существует неопределенностью в вопросе количества существующих Вселенных, и возможности связи между ними. С одной стороны фотометрический парадокс (парадокс Шезо — Ольберса) темного неба говорит о конечности размера и возраста нашей Вселенной, а так же об отсутствии её связи с другими Вселенными.

Слабое современное понимание влияния темной материи и энергии на эволюцию Вселенной


С другой стороны из принципа заурядности (принципа Коперника) следует, что наша Вселенная не уникальна, и должно существовать бесконечное множество других Вселенных с другим набором физических констант. Кроме того современная физика допускает существование пространственно-временных туннелей (кротовых нор) между разными Вселенными.

При охлаждении обычного вещества (переходе его в твердое состояние) его энтропия не увеличивается, а наоборот уменьшается:

Энтропия на примере воды

Ключевыми моментами теории “тепловой смерти” Вселенной является возможность распада протона и существование “излучения Хокинга“, но эти гипотетические явления пока не доказаны экспериментально.

Информационный парадокс

Существует большая неопределенность в вопросе влияния жизни и разума на динамику энтропии Вселенной. В вопросе влияния неразумных жизненных форм на энтропию Вселенной мало сомнений, что жизнь уменьшает энтропию. В качестве доказательств этого можно привести факты более сложной природы живых организмов по сравнению с любыми неорганическими химическими веществами. Поверхность нашей планеты за счет биосферы выглядит куда более разнообразной по сравнению с “мертвой“ поверхностью Луны, Марса или Венеры. Кроме того простейшие живые организмы замечены в деятельности по обогащению земной атмосферы кислородом (биогенный кислород), а так же генерированию богатых месторождений полезных ископаемых (биогенез).


Сравнение поверхности Венеры, Земли, Луны, Марса и Титана (слева направо)

В то же время остаётся без ответа вопрос о том, увеличивает или уменьшает энтропию Вселенной разумная жизнь (то есть человек)? С одной стороны человеческий мозг является наиболее сложной формой из известных среди живых организмов, как и то, что научно-технический прогресс позволил людям достичь невиданных высот в познании и конструирование, в том числе в синтезировании химических элементов и элементарных частиц, которых не наблюдается в природе. Современная человеческая цивилизация способна предотвращать крупные природные катастрофы (лесные пожары, наводнения, массовые эпидемии и т.д.) и в шаге от возможности предотвращения катастроф планетарного масштаба (падения небольших астероидов и комет).

Ночная фотография поверхности Земли из космоса

С другой стороны человеческая цивилизация выделяется и “энтропийными“ тенденциями. Растет разрушительная мощь оружейных арсеналов вместе с увеличением числа опасных химических и ядерных производств, горная промышленность всего за десятилетия способна опустошить месторождения полезных ископаемых, которые накапливались на планете многие сотни миллионов лет. Развитие сельского хозяйства привело к обезлесению большей части поверхности нашей планеты, а так же способствует деградации почв и опутыванию. Браконьерство, выбросы парниковых газов (возможное окисление океана) и т.д. быстро сокращают биоразнобразие нашей планеты, в связи, с чем экологи причисляют нынешнее время к новому массовому вымиранию. Кроме того в последние десятилетия отмечено сильное снижение рождаемости и в наиболее развитых странах, не исключено что эта демографическая ситуация стала следствием запредельного усложнения быта человеческой цивилизации.


Тепловая смерть Земли

В связи со всеми этими тенденциями, ближайшее будущее человеческой цивилизации представляет собой огромное количество возможных вариантов: начиная от эпической картины космической колонизации всей галактики вместе со строительством сфер Дайсона, расцветом искусственного интеллекта и установлением контакта с внеземными цивилизациями вплоть до отката в вечное средневековье на планете с подорванными минеральными и биологическими ресурсами. Парадокс Ферми (Великое молчание Вселенной) добавляет ещё больше неопределенности в вопросе влияния жизни и разума на динамику энтропии Вселенной, так как существует огромный диапазон для его объяснения: от огромной редкости биосфер и разумных цивилизаций во Вселенной до гипотезы, что наша Земля представляет собой некий “заповедник“ или “матрицу“ в мире разумных сверхцивилизаций.

Современное представление о “тепловой смерти“ Вселенной

В настоящее время физики рассматривают следующую последовательность эволюции Вселенной в будущем при условии её дальнейшего расширения с текущей скоростью:


  • 1-100 триллионов (1012) лет – завершение процессов образования звезд во Вселенной и угасание даже самых поздних красных карликов. После этого момента во Вселенной останутся только звездные остатки: черные дыры, нейтронные звезды и белые карлики.
  • 1 квадратиллионов (1015) лет – все планеты покинут свои орбиты вокруг звезд в связи с гравитационными возмущениями от близких пролетов других звезд.
  • 10-100 квинтиллионов (1018) лет – все планеты, коричневые карлики и звездные остатки покинут свои галактики по причине постоянных гравитационных возмущений друг от друга.
  • 100 квинтиллионов (1018) лет – приблизительное время падения Земли на Солнце по причине излучения гравитационных волн, в случае если бы Земля пережила стадию красного гиганта и осталась бы на своей орбите.
  • 2 анвигинтиллиона (1066) лет – приблизительное время полного испарения черной дыры массой с Солнце.
  • 17 септдециллиардов (10105) лет – приблизительное время полного испарения черной дыры массой в 10 триллионов масс Солнца. Это время окончания эпохи черных дыр.

В дальнейшем будущее Вселенной распадается на два возможных варианта в зависимости от того является ли протон стабильной элементарной частицей или нет:

  • А) Протон является нестабильной элементарной частицей;
  • А1) 10 дециллионов (1033) лет – наименьшее возможное время полураспада протона согласно экспериментам ядерных физиков на Земле;

  • А2) 2 ундециллиона (1036) лет – наименьшее возможное время распада всех протонов во Вселенной;
  • А3) 100 додециллионов (1039) лет – наибольшее возможное время полураспада протона, которое следует из гипотезы, что Большой взрыв объясняется инфляционными космологическими теориями, и что распад протона вызван тем же процессом, который ответственен за преобладание барионов над антибарионами в ранней Вселенной;
  • А4) 30 тредециллионов (1041) лет – максимальное возможное время распада всех барионов во Вселенной. После этого времени должна начаться эпоха черных дыр, так как они останутся единственными существующими небесными объектами во Вселенной;
  • А5) 17 септдециллиардов (10105) лет – примерное время полного испарения даже наиболее массивных черных дыр. Это время окончания эпохи черных дыр, и наступления эпохи вечной тьмы, в которой все объекты Вселенной распались до субатомных частиц и замедлились до наименьшего энергетического уровня.

Иллюстрация сценария будущего Вселенной где протон является нестабильной элементарной частицей

Б) Протон стабильная элементарная частица;

Б1) 100 вигинтиллионов (1063) лет – время, за которое все тела в твердой форме даже при абсолютном нуле превратятся в “жидкообразное” состоянии, вызванное эффектом квантового туннелирования – миграцией в другие части кристаллической решетки;


Б2) 101500 лет – появление гипотетических железных звезд по причине процессов холодного нуклеосинтеза, идущего путём квантового туннелирования, в ходе которого легкие ядра преобразуются в наиболее стабильный изотоп – Fe56 (по другим сведениям самым стабильным изотопом является никель-62, который обладает наиболее высокой энергией связи.). Одновременно тяжелые ядра также превращаются в железо по причине радиоактивного распада;

Черные дыры

Б3) 10 в 1026 – 10 в 1076 лет – оценка диапазона времени в течение которого все вещество во Вселенной аккрецирует в черные дыры.

Эпоха черных дыр

Кадр из клипа группы Комплексные числа “Неизбежность”

И в заключение можно отметить предположение, что после 10 в 10120 лет все вещество во Вселенной достигнет минимального энергетического состояния. То есть это и будет гипотетическое наступление “тепловой смерти“ Вселенной. Кроме того у математиков существует понятие времени возврата Пуанкаре.

Это понятие означает вероятность того, что рано или поздно любая часть системы вернется в свое первоначальное состояние. Хорошей иллюстрацией этого понятия является вариант, когда в сосуде, разделенном на две части перегородкой, в одной из частей находится некий газ. Если убрать перегородку, то все равно рано или поздно наступит время, когда все молекулы газа окажутся в исходной половине сосуда. Для нашей Вселенной время возврата Пуанкаре оценивается фантастически большой величиной.


Теория “тепловой смерти“ Вселенной стала популярна и в массовой культуре. Хорошей иллюстрацией этой теории стал клип группы Комплексные числа: “Неизбежность”, а так же научно-фантастический рассказ Айзека Азимова “Последний вопрос”.

Источник: zen.yandex.ru

Несколько удивлён появлением здесь публикаций на сугубо научную тему и даже дискуссиями вокруг них. Потому решил и свои размышления предъявить, o толковании законов, управляющих Вселенной.

==============================================

Хочу порассуждать на старую тему, истоптанную и избитую, но всё ещё не закрытую. И которая вряд ли когда-нибудь будет до конца исследована. Хотя бы потому, что находится она на стыке физики и философии, и взгляд с разных сторон на одно и то же, с разных точек зрения и с разными мерками обязательно приводит к разным выводам. В качестве исходной посылки приведу цитату из Большой советской энциклопедии (1969-1978).

———-

«Тепловaя смерть» Вселенной — ошибочный 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 тепловой смерти Вселенной.

Ещё до создания современной космологии были сделаны многочисленные попытки опровергнуть этот вывод. 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 тепловой смерти Вселенной, 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 тепловой смерти Вселенной. Вселенная всегда нестатична и непрерывно эволюционирует.

———-

Иными словами, тепловая смерть «отменена» лишь тем, что Вселенная нестационарна. А нестационарность её обусловлена силами тяготения. Дополню это ещё и тем, что, как указали Зельдович и Новиков в книге «Релятивистская астрофизика», для системы, динамика которой определяется силами тяготения, невозможно ввести даже распределение Гиббса, потому что свободная энергия на одну частицу при гравитационном взаимодействии расходится. На первый взгляд, этот же аргумент работает и для кулоновских сил, которые тоже обратно пропорциональны квадрату расстояния, однако заряды есть как положительные, так и отрицательные, и система в целом всегда нейтральна. (И потому возможно ввести характерный масштаб экранирования, «обрезающий» кулоновское взаимодействие в среде заряженных частиц, что ведёт к конечности потенциальной энергии и, соответственно, к возможности установления наиболее вероятного распределения.) Отрицательная же масса науке неизвестна и силы тяготения не экранируются.

Не знаю, как остальным, но мне не кажется, что в этих двух ответах сказано всё и что они достаточно убедительны. И я лишь отчасти согласен с этой аргументацией. Точнее – я согласен с результатом, но несогласен с акцентами. Не нравится мне такое «решение» потому, что оно никак не разрешает парадокс Клаузиуса, но вместо этого лишь указывает, что, дескать, вселенная сложнее, чем он думал и потому проблемы как бы и нет. Однако проблема есть. Никак не претендуя на оригинальность, изложу собственное понимание этого вопроса. И попробую описать один важный аспект, который, на мой взгляд, незаслуженно выбрасывается из рассмотрения. И постараюсь обойтись без формул.

Термодинамика и гравитация.
При формулировке своего парадокса Клаузиус исходил из представлений о стационарной Вселенной (ему и в голову не могла прийти мысль о Большом Взрыве или там о кривизне пространства-времени). По сути, его парадокс есть экстраполяция на всю Вселенную тех законов, которые постоянно наблюдаются нами в повседневной жизни и легко проверяются экспериментально. Однако гравитация практически никак не участвует в той термодинамике, которую знал и изучал как Клаузиус, так и мы. В самом деле, газ в сосуде любого размера должен и в невесомости, по идее, проявлять те же свойства, что и на Земле, и подчиняться тем же законам термодинамики. Иными словами, есть два вопроса: первый — возможна ли «тепловая смерть» в отсутствие гравитации, и второй — отменяет ли гравитация «тепловую смерть», если она существует без гравитации. И мне кажется важным разобраться сперва в первом вопросе: в какой степени правомерно предположение об обязательном установлении термодинамического равновесия, т.е. «тепловой смерти», в системе, определяемой законами только обычного межатомного взаимодействия в отсутствие гравитации. А уж второй вопрос — отменяет ли гравитация «тепловую смерть», если та может возникнуть и без неё, не является принципиальным и может быть рассмотрен скорее как чисто теоретическая задача.

Обратимость и эргодическая гипотеза.
Что такое тепловое равновесие и как оно возникает? Когда производится контакт с некоей системой, т.е. совершается воздействие на систему, та в качестве реакции «диссипирует» это воздействие, т.е. частично или полностью преобразует его в тепло (неважно, положительного или отрицательного прироста) и тем самым как бы «безвозвратно забывает» любое возмущение, т.е. привнесённую информацию (энергию). В этом случае мы говорим, что энтропия возрастает. И если система замкнута, т.е. взаимодействует лишь сама с собой, то рано или поздно в ней установится тепловое равновесие, которое соответствует максимуму энтропии. Это не значит, что все процессы остановятся, ничуть. Но они уравновесятся. К примеру, в покоящемся газе или жидкости поток молекул влево вовсе не равен нулю, он является даже огромным, но в среднем по времени он в точности равен потоку молекул вправо. То же самое можно сказать и о потоках в пространстве скоростей, когда количество ускоряющихся за счёт столкновений частиц в точности равно количеству замедляющихся. В этом и есть суть равновесия. Фактически, это эмпирический факт. А точнее, это следствие принятых эмпирических законов. И ответ на вопрос о равновесии и тепловой смерти нужно искать на переходе от микро- к макроописанию. Забегая вперёд скажу, что цель моя — прояснить насколько это возможно разницу между реальностью и тем, как мы её себе представляем.

Самой существенной здесь является эргодическая гипотеза, которая определяет тепловое равновесие как наиболее вероятное распределение частиц. Понять, что это такое — интуитивно просто. Ансамбль взаимодействующих частиц ведёт себя таким образом, что любое усреднение по фазовому пространству (размерность его равна 6N, где N — число частиц: для каждой частицы это обычное 3-мерное пространство + пространство скоростей, тоже 3-мерное, т.е. 6-мерное для каждой частицы) в пределе равно результату усреднения по времени. И по эргодической гипотезе получается, что «мгновенный снимок» всей системы эквивалентен результату длительного (формально бесконечного) наблюдения за траекторией одной-единственной частицы.

Для простоты рассмотрим газ стремящегося к бесконечности числа частиц N, которые взаимодействуют между собой известным образом (предполагаем, что сингулярностей нет: это, в частности, заставляет предположить либо конечность размеров частиц, либо конечность потенциалов взаимодействия, что в конечном итоге одно и то же). Мир отдельных частиц (опять же, в рамках известных нам законов) с высокой точностью можно считать гамильтоновым и он обратим во времени, т.е. будущее его полностью предопределено прошлым, и наоборот. Это детерминизм Лапласа. (Я не хочу обсуждать здесь квантовую физику, потому что данный вопрос она лишь усложнит, но не добавит ничего качественно нового). И в этом смысле стрела времени в гамильтоновской механике отсутствует, а есть лишь параметр – время. Т.е. прошлое и будущее совершенно равноправны. Более того, даже сами эти понятия (прошлое и будущее) являются уже как бы ненужными и бессмысленными, потому что любая точка во времени (вернее, обладание полной информацией о системе в этот момент) с абсолютной точностью предопределяет как будущее, так и прошлое. Формально это может быть сформулировано следующим образом: гамильтоновская система полностью определена одной-единственной точкой в полном фазовом пространстве, а вся её эволюция, как в прошлое, так и в будущее, однозначно задана гамильтоновским пропагатором. Такая картина мира является самой простой и интуитивно понятной. Важно здесь то, что в гамильтоновской механике нет и быть не может никакого термодинамического равновесия. К слову, в гамильтоновской механике нет и эргодической гипотезы, потому что траэктория системы в фазовом пространстве задана однозначно и не может иметь самопересечений. И вместо эргодической здесь применяют «квазиэргодическую» гипотезу, где траэктория может подойти сколь угодно близко к любой точке без самопересечения, заполнив таким образом всё фазовое пространство.

Для описания системы из N-частиц можно ввести N-частичную функцию распределения, задающую вероятность обнаружить каждую частицу в соответствующем элементарном объёме 6N-мерного фазового пространства. Тогда все макровеличины можно вычислить как соответствующие интегралы по фазовому пространству от плотности вероятности, взятой с соответствующим весом. И таким образом попытаться формально вывести законы термодинамики из гамильтоновской механики. Однако в этом случае никакого второго начала термодинамики не получится. Получатся точные балансы частиц, импульса, энергии, и т.д. А следовательно, не получится и тепловой смерти. И где же истина? Что является более верным, законы термодинамики или законы механики?

Собственно, на этом месте и произошёл конфликт Больцмана с современниками. До этого было два типа законов природы: 1) строго полученные из так называемых «первых принципов», и 2) феноменологические законы, полученные лишь экспериментально. К числу первых относилась ньютоновская (гамильтоновская) механика, электродинамика Максвелла, гидродинамика, и т.д., а ко второму — закон диффузии Фика, второе начало термодинамики, газовые законы, и др.

Резюмируя, можно сказать следующее. Гамильтоновская механика идеально согласовывалась с идеей Верховного Разума, однажды создавшего этот мир и предопределившего его траэкторию во времени. Но подчеркну ещё раз важнейшую вещь: главное здесь – предположение о возможности полного знания системы хотя бы в один момент времени. При описании же макромира, т.е. объектов и сред, состоящего из бессчётного (хотя и конечного) числа микрочастиц, которые никак не проявляют себя по отдельности, мы оперируем совсем другими понятиями, и наш реальный мир является лишь отчасти гамильтоновским. И это, делая любое воздействие на природу и даже сам процесс познания её необратимым, делает и человека активным участником в определении будущего, уравнивая его, хотя бы отчасти, с Богом. Эта идея не всем нравилась, но реальность, воспринимаемая через эмпирические закономерности, заставляла принять её. Создатели кинетики и статистической физики как раз и пытались создать мостик между прекрасным гамильтоновским миром и реальностью.

Диссипация.
Начнём с того, что и определение теплового равновесия, и само понятие энтропии неявно предполагают диссипативность всех происходящих в природе процессов. И прямым следствием этого предположения является второе начало термодинамики, которое есть экспериментально подтверждённый закон природы. Однако, и это очень важно, подтверждён он только в открытой системе, потому что невозможно ни придумать, ни тем более провести эксперимент в замкнутой системе. Хотя бы потому, что даже сам факт любого эксперимента над замкнутой системой немедленно отменяет её замкнутость.

Напомню также, что такое диссипация. Это, прежде всего, преобразование привнесённой в систему извне энергии (информации) в тепло, т.е. полная хаотизация и «забывание» в результате теплового движения любого воздействия на систему. Единственное, что остаётся, это количество полученного тепла. Или даже то, что остаётся после преобразования воздействия в тепло. При рассмотрении любой конечной системы с конечной теплоёмкостью это означает, что система при поглощении (или отдаче) тепла переходит в другое тепловое равновесие с несколько отличающимися параметрами.

С другой стороны, законы сохранения энергии, импульса, и т.д., справедливы для всех систем. Ньютоновская механика, а затем и гамильтоновская, постулирует, что все известные нам силы, действующие в природе, приводят только к обратимым во времени процессам. И справедливость ньютоновской механики (включая релятивистское её расширение, никак не изменившее обратимость) тоже является экспериментально подтверждённым фактом. Т.е. с точки зрения ньютоновской механики никакой диссипации нет, и, как следствие, тепловой смерти тоже. Как совместить эти правильные идеологии?

Суть в том, что парадокс содержит несколько неявно принятых предположений, не относящихся к законам природы, но являющимися чисто антропными. В частности, это определение энтропии, стоящее на чисто человеческих понятиях простоты и сложности. В том смысле, что ни хаос, ни порядок не существуют в природе сами по себе. Природа вообще не знает таких понятий. Однако человек, в попытке понять мир, делит наблюдаемое вокруг на сложное и простое, на порядок и беспорядок, и т.д. Иными словами, порядок и хаос, являющиеся базовыми понятиями для перехода от микромира к макромиру в человеческом описании природы, также являются чисто человеческими. А следовательно, и все следствия этих привнесённых категорий также являются антропными. Иными словами, диссипация, с точки зрения человека, есть ни что иное, как констатация невозможности (или неприемлемо высокой сложности) описания происходящего на языке гамильтоновской механики. Значит ли это, что наша неспособность полностью описать природу меняет законы природы? И да, и нет. Нет — понятно почему (природе плевать, понимаем ли мы её законы). Да — потому что законы эти мы сами и формулируем. Они ограничены в своeй применимости, но других у нас нет. И потому не только такие понятия, как энтропия, но даже температура и тепло — это понятия антропные. И от того, как мы их определяем для себя, зависят и формулировки законов.

Роль антропности в определении теплового равновесия.
Я утверждаю, что теплового равновесия как такового природа не знает. Mожно также утверждать, что природе неизвестно, что такое «наиболее вероятное состояние». Есть лишь состояния, находящиеся в разной степени удалённости от исходных, т.е. известных нам. В качестве известных, т.е. понятных нам, мы выбираем состояния, достаточно простые с нашей точки зрения, а слишком сложные, где мы никакой простоты не можем увидеть, мы считаем хаосом. В этом месте и происходит фундаментальный скачок в восприятии. Чисто человеческую неспособность понять и описать слишком сложную систему мы приписываем свойствам природы. Каждый может взять простейшую нить и запутать её так, что она будет казаться нераспутываемым комком. Однако от этой запутанности своей она ровным счётом никак не стала сложнее, она так и осталась той же самой нитью. Изменилось лишь наше восприятие этого объекта. И даже зная априори, что раз нить запутана, то её и распутать можно, нам интуитивно проще считать её уже новым объектом с новыми свойствами. Примерно то же самое происходит и с природой. Диссипацией мы именуем преобразование в тепло внешнего воздействия, а преобразование это есть ни что иное, как «запутывание» фазовой траэктории до состояния, которое кажется нам предельно сложным.

Можно ещё и такую иллюстрацию привести (она часто появляется в книгах, посвящённых хаосу в динамических системах). Каждый наверняка видел, что происходит с каплей чернил в воде. Сперва эта капля причудливо изменяет форму, затем эта форма становится всё более запутанной, отдельные нити всё более переплетаются, и, в конце концов, мы перестаём различать детали. Это не значит, что детали полностью исчезли. Это значит лишь, что мы их перестали видеть. Т.е. точность нашего восприятия уже недостаточна для того, чтобы и дальше следить за эволюцией капли. Произошло «загрубление» деталей и с этого момента мы говорим, что капля растворилась. Хотя на самом деле, если бы было возможно запустить всё это «кино» в обратном направлении, ровным счётом ничего не потеряно. Однако если мы даже попытаемся «задать» начальные условия для того, чтобы процесс пошёл вспять, мы не сможем этого сделать хотя бы по той простой причине, что мы не обладаем полной информацией обо всех частицах, участвующих в процессе. Как следствие, что бы мы ни пытались делать — повернуть эволюцию чернильного пятна вспять у нас не выйдет. У нас не выйдет. И о законах природы это мало что говорит. Но это говорит очень много о тех законах природы, которые нам доступны для использования.

Тепловая смерть.
Вернёмся теперь к предмету разговора — к так называемой «тепловой смерти» Вселенной. Я утверждаю, что её в природе не существует просто потому, что это понятие является антропным, т.е. не существует без человека и является специфическим только для человеческого восприятия природы. Это понятие невозможно без чисто антропных категорий порядка и хаоса, которые характеризуют нашу способность описать нечто и дают язык для описания. Но эти эмпирические закономерности, сколько бы мы их ни обнаруживали и в какие бы стройные системы ни сводили, никак не предписывают поведение микромира. А следовательно, эти закономерности никак не согласуются с обратимостью законов микромира. Собственно, было бы странно, если бы вышло иначе.

Законы термодинамики является эмпирическими, поскольку для получения их из обратимых законов микромира требуется использовать некие интуитивные допущения, которые согласуются с наблюдаемыми законами макрофизики, т.е. с эмпирикой, и используют чисто антропные понятия порядка и хаоса. Диссипативными системами мы называем те, которые невозможно описать точно, для описания которых нужна феноменология, никак не выводимая из первых принципов. Более того, если микромир обратим и не имеет стрелы времени (прошлое и будущее равноправны), то макромир эту стрелу времени имеет (из будущего невозможно в точности восстановить прошлое). И определяется эта стрела чисто человеческим восприятием мира. Можно даже сказать, что само время есть категория антропная. Потому что время есть мера изменений, а об изменениях мы вправе говорить лишь тогда, когда кто-то их может увидеть и осознать. Т.е. если есть мы — то есть и время. Обратное невозможно проверить, а потому бессмысленно и обсуждать.

Вывод: так называемая «тепловая смерть» — это лишь констатация направления процессов в природе. Которые, с точки зрения человека, эволюционируют от простого состояния к сложному. И чем состояние сложнее, чем труднее человеку понять его структуру, тем ближе оно кажется к воображаемой «тепловой смерти». Иными словами, получается так, что и без гравитации, и без обязательной нестационарности «тепловая смерть» есть лишь результат человеческого восприятия и существует лишь в воображении человека. Если это понять и принять, проблема закрыта.

Источник: otrageniya.livejournal.com

Все процессы, рассмотренные выше, на самом деле цикличны: параллельно с угасанием старых звёзд идёт возникновение новых

Только наблюдаемая Вселенная — одна, а конкретные звезды тоже имеют начало и конец, они не появляются вновь, появляются уже другие звёзды.

Разрешить проблему могла бы теория множественности вселенных… если бы она реально существовала за пределами разнообразной художественной и религиозной литературы

Мультиверсы, следующие из теории инфляции, существуют в физике.

Более того, современная наука в принципе не может предполагать, что было до Большого взрыва и было ли вообще что-нибудь

Предполагать как раз может, благодаря струнным теориям.

во-первых, не понимают, отчего эти данные именно таковы

Это для создания моделей будущего и не обязательно. Чтобы предсказать, что едущая по откосу машина свалится с обрыва, тебе не нужно знать ни откуда появилась машина, ни как сформировался откос с обрывом.

не имеют никаких данных о том, что происходит за её пределами

Это не так.

Да, пространство-время снова перестанет подчиняться классической общей теории относительности

После тепловой смерти? С чего бы? Это будет обычное наше плоское пространство-время, заполненное однородным газом.

Отдельно стоит сказать про основной постулат теории тепловой смерти вселенной — утверждение, что вселенная непрерывно расширяется, причём это расширение постоянно ускоряется

Это к тепловой смерти Вселенной никакого отношения не имеет. Тепловая смерть — чисто термодинамическая модель. Расширение или сужение Вселенной ей побоку.

Почему? Таковы результаты исследований, но объяснить их никто не может.

Расширение Вселенной объясняется тёмной энергией.

Ещё не так давно считалось, что расширение вселенной происходит в следствии относительно недавнего, по меркам её жизни, Большого взрыва

Шизофреничная формулировка, потому что Большой Взрыв и дал начало жизни Вселенной. Это как сказать "ему 30 лет, что относительно немного, по меркам его жизни".

чисто логически — и теория тепловой смерти вселенной этого не отрицает — сверхмассивные чёрные дыры должны, со временем, поглотить всю материю вокруг себя, а затем начать поглощать и друг друга

Им для этого нужно находиться на достаточно близком расстоянии к материи и друг другу, а космос на самом деле охеренно пустой. Так что никакого "чисто логически" не получается.

В итоге, масса некой сверхмассивной чёрной дыры могла бы достигнуть такой величины, что она свернулась бы в космологическую сингулярность под собственным весом и произошёл бы Большой Взрыв

Это бессмысленный набор слов. Чёрные дыры с ростом массы как раз не сворачиваются, а многократно растут в размерах. Если под чёрной дырой подразумевать горизонт событий. Сама же сингулярность не может ни свернуться, ни увеличиться, это просто точка.

Ага, закон сохранения энергии только что перестал работать

Закон сохранения энергии выполняется только локально и применительно к замкнутым системам. Насчёт замкнутости нашей Вселенной уверенности до сих пор нет.

Источник: tjournal.ru

Закон сохранения энергии хорошо известен: энергия не возникает и не исчезает, а может лишь превращаться в другие виды энергии или переходить от одной физической системы к другой. Во всех процессах энергии изолированной системы сохраняется. Закон сохранения энергии говорит как о количественной неуничтожимости материи и движения, так и их качественной неуничтожимости. Величиной, определяющей качество энергии, является энтропия. Понятие «энтропия» возникло в рамках термодинамики и связано с анализом тепловых процессов, оно характеризует направление протекания самопроизвольных процессов в замкнутой термодинамической системе и является мерой их необратимости. Понятие энтропии лежит в основе второго начала термодинамики,открытого в 60-е года ХIХ в. Клаузиусом, согласно которому энтропия изолированной системы постоянно возрастает. Другими словами, энтропия теплоизолированной системы всегда только увеличивается, т.е. такая система стремится к тепловому равновесию, при котором энтропия максимальна. Согласно этому закону, тепло не может само собой перейти от системы с меньшей температурой к системе с большей температурой.

Распространив второй закон термодинамики о возрастании энтропии, справедливой для замкнутых систем, на всю бесконечную Вселенную, Клаузиус пришел к выводу о тепловой смерти Вселенной. Согласно его «теории», все виды энергии превращаются в тепловую, энергия обесценивается, утрачивает способность к превращениям, а Вселенная приходит в наиболее вероятное состояние термодинамического равновесия. Энергия хотя и сохраняется количественно, но обесценивается в качественном отношении. Она теряет способность превращаться в другие виды энергии. Любые изменения и существование жизни становится невозможным.

При всей своей внешней логичности «теория» тепловой смерти ведет к парадоксальным выводам. Вселенная существует бесконечно долгое время и в принципе должна бы уже давно достичь состояния равновесия. Однако мы наблюдаем в мире существование многообразных видов энергии и движения, что с точки зрения сторонников этой «теории» является необъяснимым фактом. Выход может быть предложен двоякий: можно допустить, что наша Вселенная, либо существовала конечное время, недостаточное для достижения состояния теплового равновесия, либо она много раз достигала такого состояния, но некоторая сила время от времени выводила из него Вселенную. Оба эти предположения ведут к идее сотворения мира или вмешательства в ход физических процессов сверхъестественных сил.

Существенный вклад в критику «теории» тепловой смерти Вселенной внесли идеи Больцмана, который дал статистическое обоснование второго начала термодинамики. Он исходил из того, что бесконечная Вселенная в бесконечное время имеет вероятность, значительно отклоняющуюся от своего среднего наиболее вероятного состояния, поэтому в отдельных ограниченных областях возможны гигантские спонтанные отклонения от состояния равновесия. Только после такого отклонения (флуктуации) вступает в силу закон возрастания энтропии, снова приводящей к наиболее вероятному состоянию.

Некоторые ученые очень высоко оценили флуктуационную гипотезу Больцмана. Болгарский физик и философ А. Поликаров писал, что только больцмановская теория избавляет нас от «тепловой смерти». По мнению Я.П. Терлецкого, космологическая флуктуационная гипотеза Больцмана «впервые выразила языком физики идею о вечном кругообороте материи во Вселенной, ранее высказанную Энгельсом». Он считает, что для модели Вселенной Больцмана допущение сотворения является излишним, так как тепловая смерть – удел каждой определенной области пространства и то не на вечные времена, поскольку через достаточно большой промежуток времени возможна новая флуктуация, приводящая этот ограниченный мир вновь в неравновесное состояние. Одно из главных возражений против флуктуационной теории Больцмана, Терлецкий видит в исчезающее малой вероятности больших флуктуаций во Вселенной.

Проблема тепловой смерти вселенной

Однако не только в этом несостоятельность теории Больцмана. Она хотя и сыграла положительную роль, но по существу не решает проблемы, так как фактически предполагает состояние абсолютного равновесия, «тепловой смерти» во Вселенной, нарушаемое отдельными флуктуациями, носящими случайный характер.

Неудовлетворительность гипотезы Больцмана обычно рассматривается как свидетельство неприменимости статистических идей Больцмана к бесконечно большим объектам. Возражая против этого, российский математик И.П. Плоткин утверждает, что из статистики Больцмана логически следует не флуктуационная гипотеза, а наоборот – полное отсутствие состояния равновесия у бесконечно большой системы, т.е. не ограниченное ничем развитие Вселенной. Статистическая физика не обнаруживает у бесконечно большой системы наиболее вероятного, т.е. равновесного состояния. Вероятность повторения однажды пережитого такой системой состояния равна нулю. Каждое состояние бесконечно большой системы является, поэтому, совершенно новым и неповторимым: все состояния равновероятны.

Со времени открытия второго закона термодинамики встал вопрос о том, как согласовать вывод о возрастании энтропии в замкнутых системах (возрастание неопределенности, хаоса) с процессами самоорганизации в живой природе, с теорией Дарвина. Ведь она показала, что процесс развития растительного и животного мира характеризуется его непрерывным усложнением, нарастанием высоты организации и порядка. Живая природа почему-то стремилась прочь от термодинамического равновесия и хаоса. Налицо была явная нестыковка законов развития неживой и живой природы.

После замены модели стационарной Вселенной на развивающуюся, в которой ясно просматривалось нарастающее усложнение организации материальных объектов – от элементарных субэлементарных частиц в первые мгновения после Большого взрыва до звездных и галактических систем, — несоответствие законов стало ещё более явным. Ведь если принцип возрастания энтропии универсален, то, как же могли возникнуть такие сложные структуры? Стало ясно, что для сохранения непротиворечивости общей картины мира необходимо постулировать у материи в целом не только разрушительной, но и созидательной тенденции, Материя способна осуществлять работу и против термодинамического равновесия, самоорганизовываться и самоусложняться.

Постулат о способности материи к саморазвитию в философии был разработан достаточно давно. А вот его необходимость в фундаментальных естественных науках начала осознаваться только в последнее время. Исследования показали, что процессы самоорганизации имеют место в системах самой различной природы, в том числе и неорганической. Эти закономерности изучает синергетика теория самоорганизации.

Источник: studopedia.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.