Десет теории за смъртта на нашата вселена. Топлинна смърт Съвременната идея за „топлинната смърт“ на Вселената

Топлинна смърт на Вселената - хипотетична. състоянието на света, до което уж трябва да доведе неговото развитие в резултат на превръщането на всички видове енергия в топлинна енергия и равномерното й разпределение в пространството; в този случай Вселената трябва да дойде в състояние на хомогенна изотерма. равновесие, характеризиращо се с макс. ентропия. Предположението на Т. с. в. се формулира на базата на абсолютизирането на втория закон на термодинамиката, според който ентропията в затворена система може само да нараства. Междувременно вторият закон на термодинамиката, въпреки че има много голям обхват, има същества. ограничения.

Те включват по-специално многобройни флуктуационни процеси - брауновото движение на частиците, появата на ядра на нова фаза по време на прехода на вещество от една фаза в друга, спонтанни колебания на температурата и налягането в равновесна система и др. Още в трудовете на Л. Болцман и Дж. Гибс е установено, че вторият закон на термодинамиката има статистическа сила. природата и предписаната от нея посока на процесите е всъщност само най-вероятната, но не и единствено възможната. В общата теория на относителността е показано, че поради наличието на гравитация полета в гигантски космос. термодинамика системи, тяхната ентропия може да нараства през цялото време, без да достигнат равновесно състояние с макс. ентропийна стойност, т.к такова състояние в случая изобщо не съществува. Невъзможността за съществуване на к.-л. Абсолютното равновесно състояние на Вселената е свързано и с факта, че тя включва структурни елементи от все по-голям порядък на сложност. Следователно предположението на Т. с. в. несъстоятелна. .

„Топлинната смърт“ на Вселената, погрешното заключение, че всички видове енергия във Вселената трябва в крайна сметка да се превърнат в енергия на топлинно движение, която ще бъде равномерно разпределена върху веществото на Вселената, след което всички макроскопични процеси ще спрат в то.

Това заключение е формулирано от R. Clausius (1865) въз основа на втория закон на термодинамиката. Според втория закон всяка физическа система, която не обменя енергия с други системи (такъв обмен очевидно е изключен за Вселената като цяло), се стреми към най-вероятното равновесно състояние - към така нареченото състояние с максимална ентропия. Такова състояние би съответствало на „Т. С." Въпрос: Още преди създаването на съвременната космология бяха направени многобройни опити да се опровергае заключението за „Т. С." В. Най-известната от тях е флуктуационната хипотеза на Л. Болцман (1872 г.), според която Вселената винаги е била в равновесно изотермично състояние, но според закона на случайността понякога на едно място, след това на друго, понякога се появяват отклонения от това състояние; те се появяват по-рядко, колкото по-голяма е обхваната площ и толкова по-голяма е степента на отклонение. Съвременната космология е установила, че не само заключението за „Т. С." V., но ранните опити да се опровергае също са погрешни. Това се дължи на факта, че не са взети предвид значителни физически фактори и преди всичко гравитацията. Като се вземе предвид гравитацията, хомогенното изотермично разпределение на материята в никакъв случай не е най-вероятното и не отговаря на максимума на ентропията. Наблюденията показват, че Вселената е рязко нестационарна. Той се разширява и веществото, почти хомогенно в началото на разширяването, по-късно под въздействието на гравитационните сили се разпада на отделни обекти, образуват се купове от галактики, галактики, звезди и планети. Всички тези процеси са естествени, протичат с нарастването на ентропията и не изискват нарушаване на законите на термодинамиката. Дори в бъдеще, като се вземе предвид гравитацията, те няма да доведат до хомогенно изотермично състояние на Вселената - до „Т. С." Б. Вселената винаги е нестатична и непрекъснато се развива. .

Време е да се занимаем с втория основен постулат на термодинамиката, който се нарича втори закон на термодинамиката. Вторият закон не е доказуем в рамките на класическата термодинамика. Неговите формулировки са резултат от обобщение на опит, наблюдения и опити. Нека се опитаме да говорим за това кратко и ясно.

В последната статия за термодинамиката говорихме за термодинамични системи, състоящи се от голям брой частици. За да се опишат такива системи, т.нар държавни функции .

Термодинамична функция на състоянието (или термодинамичен потенциал) е функция, която зависи от няколко независими параметъра, които определят състоянието на системата. За да стане по-ясно, нека вземем пример. Една от функциите на състоянието на системата е нейната вътрешна енергия. Не зависи как точно системата е попаднала в това състояние.

Друга концепция, с която трябва да се запознаете, е ентропия . За да разберем втория закон на термодинамиката, ентропията е много важна. И това също е красива дума, която поставя мнозина в ступор и която можете да блеснате в компанията.

В най-общия случай, ентропия е мярка за случайността на дадена система

Прост пример : Да приемем, че имате чекмедже за чорапи. Ако всички чорапи в кутията са разпръснати и смесени и един по един, ентропията на такава система е максимална. И ако чорапите са събрани по двойки и лежат спретнато в един ред - това е минимално.

В термодинамиката, ентропия е функция на състоянието на термодинамичната система, която определя мярката за необратимо разсейване на енергия. Какво означава? Това означава, че част от вътрешната енергия на системата не може да се преобразува в механичната работа, извършена от системата. Например, процесът на превръщане на топлината в механична работа винаги е придружен от загуби, в резултат на което топлината се трансформира в други форми на енергия.

При необратими термодинамични процеси тя нараства, а при обратими процеси остава постоянна. Математическа нотация за ентропия (S):

Тук делта Q е количеството топлина, доставена или отведена от системата, T е температурата на системата, dS е промяната в ентропията.

Има няколко различни формулировки на втория закон на термодинамиката и ето една от тях:

Ентропията на затворена система се увеличава с всякакви необратими процеси в тази система

Тъй като се интересуваме от разбирането на същността на нещата, ето още едно много просто определение:

Между другото, тази формулировка на втория закон на термодинамиката принадлежи на Рудолф Клаузиус, който въвежда понятието ентропия .

И отново вечен двигател

След като бяха разочаровани от идеята за вечен двигател от първи вид, хората дори не помислиха да се откажат. След известно време е изобретен вечен двигател от втори вид, чиято работа се основава на пренос на топлина и не противоречи на закона за запазване на енергията. Такъв двигател превръща цялата топлина, получена от околните тела, в работа. Например, като изпълнение, трябваше да се получи огромно количество топлина чрез охлаждане на океана. Но за щастие нещата не стигнаха до охлаждане на океана и замразяване на риба, т.к. тази идея противоречи на втория закон на динамиката. Коефициентът на полезно действие на никоя машина не може да бъде равен на единица, както топлината не може напълно да се превърне в работа. Така че колкото и да се опитвате, невъзможно е да създадете вечен двигател от втори вид, точно както вечен двигател от първи вид.

Топлинна смърт на Вселената

След въвеждането на понятието ентропия от Рудолф Клаузиус през 1865 г. възникват много спорове, предположения и теории, свързани с това понятие. Една от тях е хипотезата на топлинна смърт на Вселената, формулиран от самия Клаузиус на базата на втория закон на термодинамиката.

Тази теория, формулирана от Клаузий, казва, че Вселената, като всяка затворена система, се стреми към състояние на термодинамично равновесие, характеризиращо се с максимална ентропия и пълно отсъствие на макроскопични процеси, което от своя страна осмисля познатата ни представа за време . Според Клаузиус: Енергията на света остава постоянна. Ентропията на света се стреми към максимум" . Това означава, че когато Вселената дойде в състояние на термодинамично равновесие, всички процеси ще спрат и светът ще се потопи в състояние на „топлинна смърт“. Температурата във всяка точка на Вселената ще бъде същата, вече няма да има причини, които могат да предизвикат възникването на каквито и да е процеси.

Концепцията за топлинната смърт на Вселената беше доста разпространена в близкото минало и беше обект на активни дискусии. Така в книгата на Джинс "Вселената около нас" (1932) могат да се намерят следните редове относно топлинната смърт на Вселената: „Вселената не може да съществува вечно; рано или късно трябва да дойде времето, когато последният му ерг от енергия ще достигне най-високата степен на стълбата на намаляващата полезност и в този момент активният живот на Вселената ще трябва да спре..

Когато извежда своята теория, Клаузиус прибягва в разсъжденията си до следните екстраполации (приближения):

1. Вселената се разглежда като затворена система.
2. Еволюцията на света може да се опише като промяна в неговите състояния.

Интересен факт : разсъжденията за топлинната смърт позволиха на църквата да заяви, че от научна гледна точка (включително благодарение на теорията на Клаузий) е възможно да се намерят предпоставки, показващи съществуването на Бог. И така, през 1952 г., на среща на „Папската академия на науките“, папа Пий 12-ти каза в речта си: „Законът за ентропията, открит от Рудолф Клаузиус, ни даде увереност, че спонтанните природни процеси винаги са свързани с известна загуба на свободна енергия, която може да се използва, откъдето следва, че в една затворена материална система в крайна сметка тези процеси в макроскопичен мащаб все някога ще спрат. Тази тъжна необходимост ... красноречиво свидетелства за съществуването на Необходимо същество.

Опровержение на теорията за топлинната смърт на Вселената

Както беше отбелязано по-горе от Клаузиус, някои екстраполации са използвани при извеждането на неговата теория. Днес, въпреки някои трудности, може безопасно да се каже, че подобни заключения са ненаучни. Въпросът е, че има определени граници на приложимост на втория закон на термодинамиката: долна и горна. По този начин вторият закон на термодинамиката не може да се приложи за описание на микросистеми, чиито размери са сравними с тези на молекулите, и за макросистеми, състоящи се от безкраен брой частици, т.е. за Вселената като цяло.

Всъщност първият учен, който установи статистическия характер на втория закон на термодинамиката и противопостави така наречената флуктуационна хипотеза на теорията за топлинната смърт на Вселената, беше изключителният физик материалист Болцман. Има формула на Болцман, която ни позволява да дадем статистическа интерпретация на втория закон на термодинамиката

Тук S е ентропията на системата, k е константата на Болцман, P е термодинамичната вероятност на състоянието, която определя броя на микросъстоянията на системата, съответстващи на дадено макросъстояние. Според формулата на Болцман,

Тоест, термодинамичната вероятност за състоянието на изолирана система за всички процеси, протичащи в нея, не може да намалее. Въпреки това, тъй като за системи, състоящи се от безкраен брой частици, всички състояния ще бъдат еднакво вероятни, горната връзка не е приложима за Вселената. В такива системи има значителни флуктуации(флуктуация - отклонение на истинската стойност на определена величина от нейната средна стойност), които са отклонения от втория закон на термодинамиката. Според Болцман състоянието на термодинамично равновесие е само най-често срещаното и най-вероятното; заедно с това произволно големи флуктуации могат спонтанно да възникнат в равновесна система. Тоест във Вселената, която е в състояние на термодинамично равновесие, непрекъснато възникват флуктуации и една такава флуктуация е областта на пространството, в която се намираме.

Съвременният подход безусловно отхвърля теорията за топлинната смърт на Вселената. Имайки предвид огромната възраст на Вселената и факта, че тя не е в състояние на топлинна смърт, можем да заключим, че във Вселената има процеси, които възпрепятстват нарастването на ентропията, т.е. процеси с отрицателна ентропия. Заключенията на Болцман обаче, че във Вселената преобладава състоянието на термодинамично равновесие, все повече се опровергават от нарастващия експериментален материал на астрономията. Материята притежава никога неизгубената способност да концентрира енергия и да трансформира една форма на движение в друга. Например, процесът на образуване на звезди от разпръсната материя се подчинява на определени закони и не може да бъде сведен единствено до случайни колебания в разпределението на енергията във Вселената.

Скъпи приятели! Днес разбрахме, ако е възможно, какво означава понятието ентропия за втория закон на термодинамиката, научихме, че вечен двигател от втори вид е невъзможен, а също така се зарадвахме, че топлинната смърт на Вселената все пак няма да се случи. Ние, както винаги, се надяваме, че сте харесали нашата статия, в която се опитахме да говорим за термодинамиката по прост, разбираем и интересен начин. Желаем ви успех в обучението и ви напомняме, че винаги сме готови да предложим, помогнем, посъветваме и да поемем част от работата. нашите специалисти. Учете и се наслаждавайте на живота си!

„Слънцето ще потъмнее като вретище и луната няма да даде светлината си… Силите небесни ще се разклатят и всички елементи ще изчезнат…“ Тези думи са изречени преди около две хиляди години, описвайки в художествени образи как краят на времето или топлинната смърт на Вселената ще настъпи. Но изминаха осемнадесет века, преди изследователите да подходят към изследването на този проблем от научна гледна точка. Всъщност, веднага щом човечеството откри основите, този въпрос трябваше да възникне рано или късно. Логично, ако някакъв природен принцип действа в затворена система, защо да не предположим, че същата тази тенденция работи по отношение на цялата вселена?

Хипотезата за топлинната смърт на Вселената е изложена за първи път от Уилям Томпсън през 1852 г., но по-късно, през 1865 г., е формулирана по-подробно от Р. Клаузиус. Той екстраполира в пространството.Според това правило всяка затворена система се стреми към равновесие, когато енергията на излъчване преминава в топлина. „Смъртта“ настъпва при достигане на максимално ниво на ентропия. В този момент не се извършва обмен на енергия, тъй като цялата тя преминава в топлина. И тъй като няма причина да се предполага, че има нещо друго освен Космоса, тогава, заключава Клаузиус, нашата Вселена също може да се разглежда като затворена система и в нея действа същият закон.

Естествено, нито Томпсън, нито Клаузиус дори предполагаха, че топлинната смърт на Вселената ще се случи скоро, но прогнозите дори за много далечния край на света вдигнаха много шум в научната общност и породиха различни опровержения на такава хипотеза . През 1872 г. ученият Л. Болцман изложи теорията на флуктуациите. Според нея нашата вселена е твърде огромна и сложна, за да умре от такава проста смърт. Той винаги е бил и винаги ще бъде в състояние на изотермично равновесие, но в различните му части има постоянни и винаги ще има отклонения от това състояние. Тоест такива вълни, енергийни емисии няма да позволят да започне механизмът за прехвърляне на цялата енергия на Вселената в топлинна енергия.

Съвременната наука нито е потвърдила, нито е опровергала хипотезата, че топлинната смърт на Вселената неминуемо ще настъпи. Концепцията за Големия взрив, който се предполага, че се е случил преди около 14 милиарда години и е довел до всичко, все още не доказва, че в пространството действа само действието на променлива. Действието на променлива също трябва да се вземе под внимание. A. Теорията на Фридман заслужава специално внимание: Вселената, изпълнена с гравитираща материя, не е неподвижна, тя се разширява или свива. И ако е така, непрекъснато нарастващата ентропия не води системата като цяло до

Топлинната смърт на Вселената може да бъде поставена под въпрос и от гледна точка на общата теория на относителността. Все още знаем твърде малко за нашия свят, за да преценим с абсолютна сигурност дали нашият свят е затворен и дали съществува нещо друго извън него. Може би върху него действат други външни сили и системи? Законите на физиката, каквито ги познаваме, не трябва да се прилагат в мащаба на безграничния космос, казват привържениците на вечността на радиацията във Вселената. Звездите светят и гаснат, но самата система е в равновесие, което обаче не води до топлинна смърт на всичко.

Въпреки факта, че концепцията за възможната гибел на Вселената не е нито потвърдена, нито опровергана от съвременната наука, този въпрос започна да тревожи не само "физиците", но и "лириците". Писателите на научна фантастика черпят вдъхновение особено от възможната смърт на всички живи същества. И така, Айзък Азимов буквално предсказа смразяващия край на целия живот в историята си „Последният въпрос“. Топлинната смърт на всички органики формира основата на сюжетите на много японски анимационни филми и аниме сериали.

Това е теория, изложена от Р. Клаузиус през 1865 г., според която Вселената се разглежда като затворена система, следователно, според втория закон на термодинамиката, ентропията на Вселената се стреми към максимум, в резултат на което всички макроскопични процеси трябва да спрат в него с времето.

Вселената: спорове за затворена и отворена система

Като начало нека си припомним каква е същността на втория закон на термодинамиката: когато в затворена система протичат необратими процеси, ентропията на системата се увеличава. За сравнение: в незатворените системи ентропията може както да се увеличава, така и да намалява, а също така да остане непроменена.

Да се ​​върнем към нашата вселена. Вселената, според Клаузий, несъмнено е затворена система, тъй като не обменя енергия с други системи (в крайна сметка няма друга Вселена извън нашата?). Като затворена система, Вселената се стреми към равновесно състояние – състояние с максимум на ентропията. Следователно всички процеси, протичащи във Вселената, рано или късно трябва да изчезнат, да спрат.

Защо да критикуваме теорията за топлинната смърт на Вселената?

Критиката на теорията за топлинната смърт на Вселената се основава главно на твърдението, че въпреки логиката на аргументите топлинната смърт все още не е настъпила. Учените обаче са разделени относно бъдещето на нашата Вселена.

Хипотезата е грешна, защото:

1 версия:

Някои учени твърдят, че топлинната смърт на Вселената е невъзможна, тъй като вторият закон на термодинамиката е неправилен или просто неточен, тъй като не се прилага за цялата Вселена като цяло. Факт е, че състояние с максимална ентропия може да се възприема само като идеал, тъй като законът за нарастване на ентропията не е абсолютен (а е подчинен на вероятностни закони). С други думи, поради случайни флуктуации (осцилации), ентропията в системата винаги ще бъде под максимума.

2 версия:

Друг аргумент срещу теорията на Клаузиус е разбирането на Вселената като безкрайна, поради което тя не може да се нарече нито затворена, нито отворена система (тъй като тези критерии се използват за крайни обекти). Следователно е съвсем логично да се предположи, че в условията на безкрайност вторият закон на термодинамиката е принципно неприложим или трябва да бъде допълнен.

Във всеки случай знанията за Вселената са все още незначителни, така че всякакви прогнози за бъдещето на Вселената остават само догадки. Например, днес сред учените има и поддръжници на теорията за топлинната смърт на Вселената, които твърдят, че такъв сценарий за развитие на събитията трябва да се разглежда наравно с другите, тъй като човечеството все още не може да каже със сигурност дали Вселената е безкрайна или все още е крайна, така че може да се разбира като затворена система.

(АКО НЯКОЙ ОТ ЧИТАТЕЛИТЕ СЕ ИНТЕРЕСУВА ОТ ТОЗИ ТЕКСТ, И ТАБЛИЦИТЕ И ФОРМУЛИТЕ ЩЕ СЕ ЗАГУБЯТ - ДА МИ ПИШЕ НА ПОЩАТА - ИЗПРАЩАМ РАБОТАТА ЦЯЛО С КНИГИ, ФИГУРИ И ТАБЛИЦИ)
Въведение
Термичната смърт на Вселената (T.S.V.) е заключението, че всички видове енергия във Вселената трябва в крайна сметка да се превърнат в енергия на топлинно движение, която ще бъде равномерно разпределена върху веществото на Вселената, след което всички макроскопични процеси ще спрат в то.
Това заключение е формулирано от R. Clausius (1865) въз основа на втория закон на термодинамиката. Според втория закон всяка физическа система, която не обменя енергия с други системи (такъв обмен очевидно е изключен за Вселената като цяло), се стреми към най-вероятното равновесно състояние - към така нареченото състояние с максимална ентропия.
Такова състояние би съответствало на T.S.V. Още преди създаването на съвременната космология бяха направени многобройни опити да се опровергае заключението за T.S.W. Най-известната от тях е флуктуационната хипотеза на Л. Болцман (1872), според която Вселената е вечно в равновесно изотермично състояние, но според закона на случайността, понякога на едно място, след това на друго, отклонения от това състояние понякога възниква; те се появяват по-рядко, колкото по-голяма е обхваната площ и толкова по-голяма е степента на отклонение.
Съвременната космология е установила, че не само заключението за T.S.V. е погрешно, но и ранните опити да се опровергае също са погрешни. Това се дължи на факта, че не са взети предвид значителни физически фактори и преди всичко гравитацията. Като се вземе предвид гравитацията, хомогенното изотермично разпределение на материята в никакъв случай не е най-вероятното и не отговаря на максимума на ентропията.
Наблюденията показват, че Вселената е рязко нестационарна. Той се разширява и веществото, почти хомогенно в началото на разширяването, по-късно под въздействието на гравитационните сили се разпада на отделни обекти, образуват се купове от галактики, галактики, звезди и планети. Всички тези процеси са естествени, протичат с нарастването на ентропията и не изискват нарушаване на законите на термодинамиката. Дори и в бъдеще, като се вземе предвид гравитацията, те няма да доведат до хомогенно изотермично състояние на Вселената - до T.S.V. Вселената винаги е нестатична и постоянно се развива.
Термодинамичният парадокс в космологията, формулиран през втората половина на 19 век, оттогава не спира да вълнува научната общност. Факт е, че той засегна най-дълбоките структури на научната картина на света. Въпреки че многобройните опити за разрешаване на този парадокс винаги са водили само до частичен успех, те са генерирали нови, нетривиални физически идеи, модели и теории. Термодинамичният парадокс е неизчерпаем източник на нови научни знания. В същото време формирането му в науката се оказва оплитано с много предразсъдъци и напълно грешни тълкувания.
Имаме нужда от нов поглед към този на пръв поглед добре проучен проблем, който придобива нетрадиционен смисъл в късната класическа наука.
1. Идеята за топлинната смърт на Вселената
1.1 Появата на идеята за T.S.V.
Заплахата от топлинна смърт на Вселената, както казахме по-рано, беше изразена в средата на деветнадесети век. Томсън и Клаузиус, когато е формулиран законът за нарастване на ентропията при необратими процеси. Термичната смърт е такова състояние на материята и енергията във Вселената, когато градиентите на параметрите, които ги характеризират, са изчезнали.
Развитието на принципа на необратимостта, принципа на нарастващата ентропия, се състоеше в разширяването на този принцип към Вселената като цяло, което беше направено от Клаузиус.
И така, според втория закон всички физически процеси протичат в посока на пренос на топлина от по-горещи тела към по-малко горещи, което означава, че процесът на изравняване на температурата във Вселената протича бавно, но сигурно. Следователно в бъдеще се очаква изчезването на температурните разлики и превръщането на цялата световна енергия в топлинна енергия, равномерно разпределена във Вселената. Заключението на Клаузий беше следното:
1. Енергията на света е постоянна
2. Ентропията на света се стреми към максимум.
По този начин термичната смърт на Вселената означава пълно спиране на всички физически процеси поради преминаването на Вселената в равновесно състояние с максимална ентропия.
Болцман, който открива връзката между ентропията S и статистическото тегло P, смята, че сегашното нехомогенно състояние на Вселената е грандиозна флуктуация*, въпреки че вероятността за нейното възникване е незначителна. Съвременниците на Болцман не признават неговите възгледи, което води до остра критика на работата му и, очевидно, води до болестта и самоубийството на Болцман през 1906 г.
Обръщайки се към първоначалните формулировки на идеята за топлинната смърт на Вселената, може да се види, че те не съответстват във всички отношения на техните добре известни интерпретации, през призмата на които тези формулировки обикновено се възприемат от нас. Обичайно е да се говори за теорията за топлинната смърт или за термодинамичния парадокс на У. Томсън и Р. Клаузиус.
Но, първо, съответните мисли на тези автори не съвпадат във всичко, и второ, твърденията по-долу не съдържат нито теория, нито парадокс.
У. Томсън, анализирайки общата тенденция за разсейване на механичната енергия, която се проявява в природата, не я разшири до света като цяло. Той екстраполира принципа на нарастване на ентропията само към мащабни процеси, протичащи в природата.
Напротив, Клаузий предлага екстраполация на този принцип именно към Вселената като цяло, която действа за него като всеобхватна физическа система. Според Клаузий "общото състояние на Вселената трябва да се променя все повече и повече" в посоката, определена от принципа на нарастващата ентропия и следователно това състояние трябва непрекъснато да се доближава до някакво гранично състояние Флуктуации и проблемът за физическите граници на 2-ри закон на термодинамиката. Може би за първи път термодинамичният аспект в космологията е идентифициран от Нютон. Именно той забелязва ефекта на "триенето" в часовниковия механизъм на Вселената - тенденция, която в средата на XIXв. наречено увеличение на ентропията. В духа на своето време Нютон призовава Господ Бог на помощ. Именно той беше назначен от сър Айзък да наблюдава навиването и ремонта на тези „часовници“.
В рамките на космологията термодинамичният парадокс е признат в средата на 19 век. Дискусията за парадокса породи редица брилянтни идеи с широко научно значение (обяснението на „Шрьодингер” от Л. Болцман за „антиентропията” на живота; неговото въвеждане на флуктуациите в термодинамиката, основните последици от които във физиката не са изчерпани и до днес; неговата грандиозна космологична флуктуационна хипотеза, извън концептуалната рамка, която физиката в проблема за "топлинната смърт" на Вселената все още не е излязла; дълбока и новаторска, но въпреки това исторически ограничена флуктуационна интерпретация на Второ начало.
1.2 Поглед към T.S.W. от двадесети век
Сегашното състояние на науката също не е в съответствие с предположението за топлинната смърт на Вселената.
На първо място, това заключение е от значение за изолирана система и не е ясно защо Вселената може да бъде приписана на такива системи.
Във Вселената има гравитационно поле, което не е взето под внимание от Болцман, и то е отговорно за появата на звезди и галактики: гравитационните сили могат да доведат до образуването на структура от хаоса, могат да породят звезди от Космоса прах.
Интересно е по-нататъшното развитие на термодинамиката и с нея идеята за T.S.V.. През 19 век са формулирани основните положения (начала) на термодинамиката на изолирани системи. През първата половина на 20 век термодинамиката се развива предимно не в дълбочина, а в ширина, възникват различни раздели от нея: техническа, химическа, физическа, биологична и др. термодинамика. Едва през 40-те години на миналия век се появяват работи по термодинамиката на отворени системи близо до точката на равновесие, а през 80-те години възниква синергетиката. Последното може да се тълкува като термодинамика на отворени системи далеч от точката на равновесие.
И така, съвременната естествена наука отхвърля концепцията за "топлинна смърт" по отношение на Вселената като цяло. Факт е, че Клаузий прибягва в разсъжденията си до следните екстраполации:
1. Вселената се разглежда като затворена система.
2. Еволюцията на света може да се опише като промяна в неговите състояния.
За света като цялостно състояние с максимална ентропия това има смисъл, както и за всяка крайна система.
Но легитимността на тези екстраполации сама по себе си е силно съмнителна, въпреки че проблемите, свързани с тях, представляват трудности и за съвременната физическа наука.
2. Законът за нарастване на ентропията
2.1 Извеждане на закона за нарастване на ентропията
Ние прилагаме неравенството на Клаузиус, за да опишем необратимия кръгов термодинамичен процес, показан на фигура 1.
Ориз. един.
Необратим кръгов термодинамичен процес
Нека процесът е необратим и процесът е обратим. Тогава неравенството на Клаузиус за този случай приема формата (1)
Тъй като процесът е обратим, можем да използваме релацията, която дава
Заместването на тази формула в неравенство (1) ни позволява да получим израза (2)
Сравнението на изрази (1) и (2) ни позволява да напишем следното неравенство (3), в което знакът за равенство има място, ако процесът е обратим, а знакът е по-голям, отколкото ако процесът е необратим.
Неравенство (3) може да се запише и в диференциална форма (4)
Ако разгледаме адиабатично изолирана термодинамична система, за която, тогава изразът (4) приема формата или в интегрална форма.
Получените неравенства изразяват закона за нарастване на ентропията, който може да се формулира по следния начин:
2.2 Възможност за ентропия във Вселената
В адиабтично изолирана термодинамична система ентропията не може да намалее: тя или се запазва, ако в системата протичат само обратими процеси, или се увеличава, ако в системата протича поне един необратим процес.
Писменото твърдение е друга формулировка на втория закон на термодинамиката.
Така една изолирана термодинамична система се стреми към максималната стойност на ентропията, при която се установява състояние на термодинамично равновесие.
Трябва да се отбележи, че ако системата не е изолирана, тогава в нея е възможно намаляване на ентропията. Пример за такава система е например конвенционален хладилник, вътре в който е възможно намаляване на ентропията. Но за такива отворени системи това локално намаляване на ентропията винаги се компенсира от увеличаване на ентропията в околната среда, което надвишава нейното локално намаление.
Парадоксът, формулиран през 1852 г. от Томсън (лорд Келвин) и наречен от него хипотеза за топлинната смърт на Вселената, е пряко свързан със закона за нарастване на ентропията. Подробен анализ на тази хипотеза е извършен от Клаузиус, който смята за законно да разшири закона за увеличаване на ентропията върху цялата Вселена. Всъщност, ако разглеждаме Вселената като адиабатично изолирана термодинамична система, тогава, като се има предвид нейната безкрайна възраст, въз основа на закона за нарастване на ентропията, можем да заключим, че тя е достигнала своята максимална ентропия, тоест състоянието на термодинамично равновесие. Но във Вселената, която наистина ни заобикаля, това не се наблюдава.
3. Топлинна смърт на Вселената в научната картина на света
3.1 Термодинамичен парадокс
Термодинамичният парадокс в космологията, формулиран през втората половина на 19 век, оттогава не спира да вълнува научната общност. Факт е, че той засегна най-дълбоките структури на научната картина на света.
Въпреки че многобройните опити за разрешаване на този парадокс винаги са водили само до частичен успех, те са генерирали нови, нетривиални физически идеи, модели и теории. Термодинамичният парадокс е неизчерпаем източник на нови научни знания. В същото време формирането му в науката се оказва оплитано с много предразсъдъци и напълно грешни тълкувания. Имаме нужда от нов поглед към този на пръв поглед добре проучен проблем, който придобива нетрадиционен смисъл в пост-некласическата наука.
Постнекласическата наука, на първо място, теорията за самоорганизацията, решава проблема за посоката на термодинамичните процеси в природата по значително различен начин от класическата или некласическата наука; това намира израз в съвременната научна картина на света (СКМ).
Как всъщност се е появил термодинамичният парадокс в космологията? Лесно е да се види, че всъщност е формулиран от противниците на Томсън и Клаузиус, които виждат противоречие между идеята за топлинната смърт на Вселената и основните принципи на материализма за безкрайността на света в пространството и времето. . Формулировките на термодинамичния парадокс, които срещаме при различни автори, са изключително сходни, почти напълно еднакви. „Ако доктрината за ентропията беше вярна, тогава предполагаемият от нея „край“ на света би трябвало да съответства на „началото“, минимума на ентропията, когато температурната разлика между отделните части на Вселената би била най-голяма. .
Каква е епистемологичната природа на разглеждания парадокс? Всички цитирани автори всъщност му придават философски и идеологически характер. Но всъщност тук се смесват две нива на познание, които от нашата съвременна гледна точка следва да се разграничат. Първоначалната точка все пак беше появата на термодинамичен парадокс на ниво NCM, при който Клаузиус извърши своята екстраполация на нарастването на принципа на ентропията към Вселената. Парадоксът е действал като противоречие между заключението на Клаузиус и принципа за безкрайността на света във времето, според космологията на Нютон. На същото ниво на познанието възникват и други космологични парадокси – фотометрични и гравитационни, като епистемологичната им природа е много сходна.
„Наистина, топлинната смърт на Вселената, дори ако е настъпила в някое далечно бъдеще, дори след милиарди или десетки милиарди години, все още ограничава „времевата скала“ на човешкия прогрес“ .
3.2 Термодинамичен парадокс в релативистките космологични модели
Нов етап в анализа на термодинамичния парадокс в космологията вече е свързан с некласическата наука. Обхваща 30-те – 60-те години на ХХ век. Най-специфичната му особеност е преходът към развитието на термодинамиката на Вселената в концептуалната рамка на А.А. Фридман. Бяха обсъдени както модернизираните версии на принципа на Клаузиус, така и новият модел на Толман, при който е възможна необратима еволюция на Вселената без достигане на ентропийния максимум. Моделът на Толман в крайна сметка надделява при приемането на научната общност, въпреки че не отговаря на някои от „трудните“ въпроси. Но успоредно с това се развива и полукласическият „антиентропиен подход“, чиято единствена цел е да опровергае принципа на Клаузиус на всяка цена, а първоначалната абстракция е образът на безкрайния и „вечно млад“, както казва Циолковски. то, Вселена. Въз основа на този подход бяха разработени редица, така да се каже, „хибридни“ схеми и модели, които се характеризираха с доста изкуствено съчетаване не само на стари и нови идеи в областта на термодинамиката на Вселената, но също и основите на класическата и некласическата наука.
„През 30-те и 40-те години на миналия век идеята за топлинната смърт на Вселената продължава да се радва на най-голямо влияние сред привържениците на релативистката космология. Енергични поддръжници на принципа на Клаузиус бяха например А. Едингтън и Дж. Джийнс, които многократно говориха както за физическия смисъл на този проблем, така и за неговото „човешко измерение“. Заключението на Клаузий беше преведено от тях в некласическа картина на света и в някои отношения адаптирана към нея.
На първо място, обектът на екстраполация се промени - Вселената като цяло.
Голям резонанс (и множество цитати) предизвика през 50-те години почти забравената дискусия по проблемите на термодинамиката на Вселената между К.П. Станюкович и И.Р. Плоткин. И двамата разглеждат статистическо-термодинамичните свойства на модела на Вселената, подобен на Вселената на Болцман, т.е. съвпадат с изследвания обект. Освен това и двамата вярват, че проблемите на термодинамиката на Вселената могат да бъдат анализирани независимо от общата теория на относителността, която не въвежда ново съдържание в закона за нарастване на ентропията.
Но наред с посочените опити за „преодоляване” на хипотезата на Болцман, бяха разработени и модернизирани версии на самата тази хипотеза. Най-известният от тях принадлежи на Ya.P. Терлецки.
Хибридни схеми” и модели за решаване на термодинамичния парадокс в космологията предизвикват значителен интерес през 50-те и 60-те години на ХХ век, предимно у нас. Те бяха обсъдени на една от срещите по космогония (Москва, 1957 г.), на симпозиуми по философски проблеми на теорията на относителността и релативистката космология на Айнщайн (Киев, 1964, 1966 г.) и др., но по-късно споменаванията им стават все по-редки. . Това се случи до голяма степен поради промените в решаването на този кръг от проблеми, постигнати от релативистката космология и нелинейната термодинамика.
3.3 Термодинамичен парадокс в космологията и пост-некласическата картина на света
Развитието на проблема за термодинамиката на Вселената започва да придобива качествено нови черти през 80-те години. Наред с изучаването на Вселената в рамките на некласическите основи, сега в тази област се разработва подход, който отговаря на признаците на "постнекласическата" наука.
Например, синергетиката, по-специално теорията за дисипативните структури, позволява по-дълбоко разбиране на спецификата на нашата Вселена като самоорганизираща се, саморазвиваща се система, отколкото беше възможно в некласическата наука.
Постнекласическата наука дава възможност да се въведат редица нови моменти в анализа на проблемите на термодинамиката на Вселената като цяло. Но този въпрос досега е обсъждан само в най-общи линии. Постнекласическата наука дава възможност да се въведат редица нови моменти в анализа на проблемите на термодинамиката на Вселената като цяло. Но този въпрос досега е обсъждан само в най-общи линии.
Основната цел на подхода, основан на статистическата теория на неравновесните процеси, И. Пригожин изрази по следния начин: „... ние се отдалечаваме от затворена Вселена, в която всичко е дадено, към нова Вселена, отворена за колебания , способен да роди нещо ново." Нека се опитаме да разберем това твърдение в контекста на анализа на тези космологични алтернативи, които бяха представени от M.P. Бронщайн.
1. Теорията на И. Пригожин в комбинация със съвременното развитие на космологията очевидно е по-съвместима с разбирането на Вселената като термодинамично отворена неравновесна система, възникнала в резултат на гигантска флуктуация на физическия вакуум . Така в това отношение постнекласическата наука се отдалечава от традиционната гледна точка, споделяна от М.П. Бронщайн. Освен това, когато се анализира поведението на Вселената като цяло в съвременната наука, очевидно трябва да се отхвърли това, което Пригожин нарича "водещ мит на класическата наука" - принципът на "неограничената предсказуемост" на бъдещето. За нелинейните дисипативни структури това се дължи на необходимостта да се вземат предвид "ограниченията", дължащи се на нашето действие върху природата.
Нашите познания за термодинамиката на Вселената като цяло, основани на екстраполацията на статистическата теория на неравновесните системи, също не могат да пренебрегнат прякото или непряко разглеждане на ролята на наблюдателя.
2. Теорията на И. Пригожин поставя проблема за законите и началните условия в космологията по съвсем нов начин, премахва противоречията между динамиката и термодинамиката. От гледна точка на тази теория се оказва, че Вселената, както М.П. Бронщайн, може да се подчинява на закони, които са асиметрични по отношение на миналото и бъдещето - което ни най-малко не противоречи на фундаменталния принцип за нарастване на ентропията, нейната космологична екстраполация.
3. Теорията на Пригожин - в добро съгласие със съвременната космология - преоценява ролята и вероятността на макроскопичните флуктуации във Вселената, въпреки че предишният механизъм на тези флуктуации от съвременна гледна точка е различен от този на Болцман. Флуктуациите престават да бъдат нещо изключително, те стават съвсем обективна проява на спонтанното възникване на нещо ново във Вселената.
Така теорията на Пригожин дава възможност доста лесно да се отговори на въпроса, който разделя научната общност вече почти век и половина и така занимава К.Е. Циолковски: защо - противно на принципа на Клаузиус - навсякъде във Вселената наблюдаваме не процеси на монотонна деградация, а напротив, процеси на формиране, възникване на нови структури. Преходът от „физиката на съществуващото“ към „физиката на възникващото“ се случи до голяма степен поради синтеза на идеи, които изглеждаха взаимно изключващи се в предишната концептуална рамка.
Идеите на Пригожин, водещи до преразглеждане на редица фундаментални идеи, като всичко фундаментално ново в науката, се посрещат с двусмислено отношение към себе си, преди всичко сред физиците. От една страна, броят на техните поддръжници расте, от друга страна се твърди, че изводите на Пригожин са недостатъчно правилни и оправдани от гледна точка на идеала за развита физическа теория. Самите тези идеи понякога се тълкуват не съвсем еднозначно; по-специално, някои автори подчертават, че ентропията на една система може да намалее в процеса на самоорганизация. Ако такава гледна точка е правилна, това означава, че най-накрая беше възможно да се формулират онези изключително специфични условия, които К.Е. Циолковски, обсъждайки възможността за съществуването на антиентропийни процеси в природата.
Но идеите на руския космизъм, включително космическата философия на К.Е. Циолковски, посветени на тези проблеми, намират по-директно развитие в пост-некласическата наука.
Например Н.Н. Моисеев отбелязва, че в хода на еволюцията на Вселената има непрекъснато усложняване на организацията на структурните нива на природата и този процес е ясно насочен. Природата като че ли си запазва определен набор от потенциално възможни (т.е. допустими в рамките на нейните закони) видове организация и с развитието на единния световен процес все по-голям брой от тези структури се оказват „включени“ в него. Умът и интелигентната дейност трябва да бъдат включени в общия синтетичен анализ на еволюционните процеси на Вселената.
Развитието на идеите за самоорганизация, по-специално теорията на Пригожин за дисипативните структури, свързана с преразглеждането на концептуалните основи на термодинамиката, стимулира по-нататъшни изследвания на това ниво на познание. Статистическата термодинамика, разработена още в класическата физика, съдържа редица непълноти и неясноти, отделни странности и парадокси - въпреки факта, че изглежда, че "всичко е наред" с фактите. Но според изследването на F.A. Цицин, дори в такава утвърдена и ясно „проверена от времето“ сфера на научните изследвания има много изненади.
Сравнението на характерните параметри на флуктуациите, въведени от Л. Болцман и М. Смолуховски, доказва съществената непълнота на "общоприетата" статистическа интерпретация на термодинамиката. Колкото и да е странно, тази теория е изградена при пренебрегване на флуктуациите! От това следва, че е необходимо да се прецизира, т.е. изграждане на теорията за "следващото приближение".
По-последователното отчитане на флуктуационните ефекти ни принуждава да признаем концепциите за "статистическо" и "термодинамично" равновесие като физически неидентични. По-нататък се оказва, че е справедлив изводът, който е в пълно противоречие с "общоприетото": няма функционална връзка между нарастването на ентропията и тенденцията на системата към по-вероятно състояние. Съществуват и процеси, при които преминаването на системи в по-вероятно състояние може да бъде придружено от намаляване на ентропията! По този начин отчитането на колебанията в проблемите на термодинамиката на Вселената може да доведе до откриването на физическите граници на принципа на увеличаване на ентропията. Но F.A. Цицин не се ограничава в заключенията си до основите на класическата и некласическата наука. Той предполага, че принципът на увеличаване на ентропията не се прилага за определени типове по същество нелинейни системи. Не е изключена забележима "концентрация на флуктуации" в биоструктурите. Възможно е дори подобни ефекти да са регистрирани в биофизиката отдавна, но да не се признават или да се тълкуват неправилно, именно защото се смятат за „фундаментално невъзможни“. Подобни явления могат да бъдат известни на други космически цивилизации и ефективно използвани от тях, по-специално в процесите на космическа експанзия.
Заключение
И така, можем да отбележим, че в пост-некласическата наука са формулирани принципно нови подходи към анализа на принципа на Клаузиус и премахването на термодинамичния парадокс в космологията. Най-значимите перспективи, които могат да се очакват от космологичната екстраполация на теорията за самоорганизацията, разработена въз основа на идеите на руския космизъм.
Необратимите процеси в рязко неравновесни, нелинейни системи позволяват, очевидно, да се избегне топлинната смърт на Вселената, тъй като тя се оказва отворена система. Търсенето на теоретични схеми на "антиентропийни" процеси, пряко предсказани от научната картина на света, базирани на космическата философия на К.Е. Циолковски; този подход обаче се споделя само от няколко естествени учени. През цялата новост на постнекласическите подходи към анализа на проблемите на термодинамиката на Вселената обаче „прозират“ същите „теми“, които се формират през втората половина на 19 век и генерирани от Клаузиус парадокс и дискусии около него.
Така виждаме, че принципът на Клаузиус все още е почти неизчерпаем източник на нови идеи в комплекса от физически науки. Независимо от това, въпреки появата на все нови модели и схеми, в които няма топлинна смърт, все още не е постигнато „окончателно“ разрешение на термодинамичния парадокс. Всички опити да се разреже "гордиевият възел" на проблемите, свързани с принципа на Клаузиус, неизменно водят само до частични, в никакъв случай строги и окончателни заключения, като правило, по-скоро абстрактни. Съдържащите се в тях неясноти породиха нови проблеми и засега надеждата за постигане на успех в обозримо бъдеще е малка.
Най-общо казано, това е съвсем обичаен механизъм за развитие на научното познание, още повече че говорим за един от най-фундаменталните проблеми. Но далеч не всеки принцип на науката, както и нито един фрагмент от NCM като цяло, е толкова евристичен, колкото принципа на Клаузиус. Има няколко причини, които обясняват, от една страна, евристичния характер на този принцип, който все още предизвиква само раздразнение сред догматиците - няма значение, естествени учени или философи, от друга - провала на неговите критици.
Първият е сложността на всякакви „игри с безкрайността“, които се противопоставят на този принцип, каквито и да са концептуалните им основи.
Втората причина е използването на неадекватния смисъл на термина "вселена като цяло" - все още обикновено се разбира като "всичко, което съществува" или "тоталността от всички неща". Неопределеността на този термин, която е напълно съвместима с неяснотата на използването на неексплицираните значения на безкрайността, рязко се противопоставя на яснотата на формулировката на самия принцип на Клаузиус. Понятието „Вселена” не е конкретизирано в този принцип, но затова е възможно да се разглежда проблемът за неговата приложимост към различни вселени, конструирани с помощта на теоретичната физика и интерпретирани като „всичко съществуващо” само от гледна точка на на тази теория (модел).
И накрая, третата причина: както самият принцип на Клаузиус, така и опитите за разрешаване на термодинамичния парадокс, издигнат на негова основа, предвиждаха една от характеристиките на пост-некласическата наука - включването на хуманистични фактори в идеалите и нормите на обяснение. , както и основани на доказателства знания. Емоционалността, с която принципът на Клаузиус е критикуван повече от сто години, предлагани са различни негови алтернативи и са анализирани възможни схеми на антиентропийни процеси, може би има малко прецеденти в историята на естествената наука, както класически, така и некласически. Принципът на Клаузиус изрично се обръща към пост-некласическата наука, която включва "човешкото измерение". Естествено, в миналото тази характеристика на разглежданото знание все още не можеше да бъде реално осъзната. Но сега, в ретроспекция, откриваме някои "ембриони" на идеалите и нормите на пост-некласическата наука в тези стари дискусии.
Литература
1. Концепции на съвременното естествознание./ ред. проф. S.A. Samygin, 2-ро изд. - Ростов n / a: "Феникс", 1999. - 580 с.
2. Данилец А. В. Естествознание днес и утре - Санкт Петербург: Народна библиотека 1993 г.
3.Дубнищева Т. Я. Концепции на съвременната естествознание. Новосибирск: Издателство ЮКЕА, 1997. - 340 с.
4.Пригожин И. От съществуващи към възникващи. М.: Наука, 1985. - 420 с.
5. Ремизов A.N. Медицинска и биологична физика. - М.: Висше училище, 1999. - 280 с.
6. Станюкович К.П. Към въпроса за термодинамиката на Вселената // Пак там. стр. 219-225.
7. Swartz Kl.E. Необикновена физика на обикновените явления. Т.1. - М.: Наука, 1986. - 520 с.
8. За човешкото време. - “Знанието е сила”, бр., 2000, с.10-16
9. Цицин Ф.А. Концепцията за вероятността и термодинамиката на Вселената // Философски проблеми на астрономията на XX век. М., 1976. С. 456-478.
10. Цицин Ф.А. Термодинамика, Вселена и флуктуации // Вселена, астрономия, философия. М., 1988. С. 142-156
11. Цицин Ф.А. [Към термодинамиката на йерархичната Вселена] // Доклади на 6-та среща по космогония (5-7 юни 1957 г.). М., 1959. С. 225-227.

Всеки участък от цикъла на Карно и целият цикъл като цяло могат да бъдат преминати и в двете посоки. Заобикалянето на цикъла по посока на часовниковата стрелка съответства на топлинен двигател, когато топлината, получена от работния флуид, се превръща частично в полезна работа. Байпас обратно на часовниковата стрелка съответства на хладилна машинакогато малко топлина се отнема от студения резервоар и се прехвърля към горещия резервоар като извършва външна работа. Следователно се нарича идеално устройство, работещо според цикъла на Карно реверсивен топлинен двигател.Истинските хладилни машини използват различни циклични процеси. Всички цикли на охлаждане в диаграмата (p, V) се заобикалят обратно на часовниковата стрелка. Енергийната схема на хладилната машина е показана на фиг. 3.11.5.

Устройството за хладилен цикъл може да служи за две цели. Ако благоприятният ефект е да се извлече малко топлина |Q2| от охладени тела (например от продукти в хладилната камера), тогава такова устройство е конвенционален хладилник. Ефективността на хладилника може да се характеризира със съотношението

Ако благоприятният ефект е да се пренесе малко топлина |Q1| нагрети тела (например въздух на закрито), тогава такова устройство се нарича топлинна помпа. Ефективността βT на термопомпа може да се определи като съотношението

следователно βT винаги е по-голямо от едно. За обърнат цикъл на Карно