Десять теорій загибелі нашого всесвіту. Теплова смерть Сучасне уявлення про “теплову смерть“ Всесвіту

Теплова смерть всесвіту – гіпотетич. стан світу, до якого нібито має привести його розвиток в результаті перетворення всіх видів енергії в теплову і рівномірного розподілу останньої в просторі; у такому разі Всесвіт повинен прийти в стан однорідного ізотермічного. рівноваги, що характеризується макс. ентропією. Допущення Т. с. в. формулюється на основі абсолютизації другого початку термодинаміки, згідно до якого ентропія в замкнутій системі може тільки зростати. Тим часом у другого початку термодинаміки, хоча воно і має дуже велику сферу дії, є істот. обмеження.

До них, зокрема, відносяться численні флуктуаційні процеси - броунівський рух частинок, виникнення зародків нової фази при переході речовини з однієї фази до іншої, мимовільні коливання температури та тиску в рівноважній системі тощо. Ще у працях Л. Больцмана та Дж. Гіббса було встановлено, що другий початок термодинаміки має статистич. природу і запропоноване ним напрямок процесів є лише найімовірнішим, але з єдино можливим. У загальній відносності теорії показано, що завдяки наявності гравітації. поля в гігантських косміч. термодинамічні. системах їх ентропія може постійно зростати без того, щоб вони досягали рівноважного стану з макс. значенням ентропії, т.к. такого стану у разі взагалі немає. Неможливість існування к.-л. абсолютного рівноважного стану у Всесвіту пов'язана також із тим фактом, що до нього входять структурні елементи дедалі більшого порядку складності. Тому припущення Т. с. в. неспроможна. .

"Теплова смерть" Всесвіту, помилковий висновок про те, що всі види енергії у Всесвіті зрештою повинні перейти в енергію теплового руху, яка рівномірно розподілиться по речовині Всесвіту, після чого в ній припиняться всі макроскопічні процеси.

Цей висновок був сформульований Р. Клаузіус (1865) на основі другого початку термодинаміки. Відповідно до другого початку, будь-яка фізична система, що не обмінюється енергією з іншими системами (для Всесвіту в цілому такий обмін, очевидно, виключений), прагне найбільш ймовірного рівноважного стану - так званого стану з максимумом ентропії. Такий стан відповідав би «Т. с.» Ще до створення сучасної космології були зроблені численні спроби спростувати висновок про «Т. с.» В. Найбільш відома з них флуктуаційна гіпотеза Л. Больцмана (1872), згідно з якою Всесвіт споконвічно перебуває в рівноважному ізотермічному стані, але за законом випадку то в одному, то в іншому місці іноді відбуваються відхилення від цього стану; вони відбуваються тим рідше, чим більшу область захоплюють і чим більший ступінь відхилення. Сучасною космологією встановлено, що хибний як висновок про «Т. с.» Ст, але помилкові і ранні спроби його спростування. Пов'язано це з тим, що не бралися до уваги суттєві фізичні фактори і насамперед тяжіння. З урахуванням тяжіння однорідний ізотермічний розподіл речовини не є найбільш ймовірним і відповідає максимуму ентропії. Спостереження показують, що Всесвіт різко нестаціонарний. Вона розширюється, і майже однорідне на початку розширення речовина надалі під впливом сил тяжіння розпадається окремі об'єкти, утворюються скупчення галактик, галактики, зірки, планети. Всі ці процеси природні, йдуть зі зростанням ентропії та не вимагають порушення законів термодинаміки. Вони й у майбутньому з урахуванням тяжіння не призведуть до однорідного ізотермічного стану Всесвіту - «Т. с.» В. Всесвіт завжди нестатичний і безперервно еволюціонує. .

Настав час розібратися з другим фундаментальним постулатом термодинаміки, який називається другий початок термодинаміки. Друге початок перестав бути доведеним у межах класичної термодинаміки. Його формулювання – результат узагальнення дослідів, спостережень та експериментів. Спробуємо розповісти про нього коротко та зрозуміло.

Минулої статті з термодинаміки ми говорили про термодинамічні системи, що складаються з великої кількості частинок. Для опису подібних систем використовуються так звані функції стану .

Термодинамічна функція стану (або термодинамічний потенціал) – це функція, яка залежить від кількох незалежних параметрів, що визначають стан системи. Щоб було зрозуміліше, наведемо приклад. Одна із функцій стану системи – це її внутрішня енергія. Вона не залежить від того, як саме система опинилася в даному стані

Ще одне поняття, з яким потрібно познайомитись – це ентропія . Для розуміння другого початку термодинаміки ентропія дуже важлива. А ще це гарне слово, яке багатьох ставить у ступор і яким можна блиснути в компанії.

У загальному випадку, ентропія – міра хаотичності деякої системи

Простий приклад : уявимо, що у вас є ящик зі шкарпетками. Якщо всі шкарпетки в ящику розкидані і валяються впереміш і по одному, ентропія такої системи є максимальною. А якщо шкарпетки зібрані по парах і лежать акуратно в рядок - мінімальна.

У термодинаміці, ентропія – це функція стану термодинамічної системи, що визначає міру незворотного розсіювання енергії. Що це означає? Це означає, що якась частина внутрішньої енергії системи не може перейти в механічну роботу, що здійснюється системою. Наприклад, процес перетворення теплоти на механічну роботу завжди супроводжується втратами, в результаті яких теплота трансформується в інші види енергії.

При незворотних термодинамічних процесах збільшується, а при оборотних залишається постійною. Математичний запис ентропії (S):

Тут дельта Q – кількість теплоти, підведена чи відведена від системи, T – температура системи, dS – зміна ентропії.

Існує кілька різних формулювань другого початку термодинаміки, і ось одне з них:

Ентропія замкнутої системи зростає за будь-яких незворотних процесів у цій системі

Оскільки нас цікавить саме розуміння суті речей, наведемо ще одне найпростіше визначення:

До речі, дане формулювання другого початку термодинаміки належить Рудольфу Клаузіусу, який і узвичаїв поняття ентропії .

І знову вічний двигун

Після розчарування з ідеєю вічного двигуна першого роду люди не думали здаватися. Через якийсь час було придумано вічний двигун другого роду, робота якого ґрунтувалася на передачі тепла і не суперечила закону збереження енергії. Такий двигун перетворює все тепло, отримане від навколишніх тіл, на роботу. Наприклад, як його реалізації передбачалося шляхом охолодження океану отримати величезну кількість теплоти. Але на щастя до охолодження океану і заморозки риб не дійшло, т.к. Ця ідея суперечить другому початку динаміки. ККД будь-якої машини не може дорівнювати одиниці, також як тепло не може бути перетворено в роботу повністю. Тож скільки не намагайтеся, а вічний двигун другого роду створити неможливо, так само як і вічний двигун першого роду.

Теплова смерть Всесвіту

Після введення Рудольфом Клаузіусом поняття ентропії в 1865 виникло безліч суперечок, домислів і теорій, пов'язаних з цим поняттям. Одна з них – гіпотеза про теплової смерті Всесвіту, сформульована самим Клаузіусом на основі другого початку термодинаміки

Ця теорія, сформульована Клаузіусом, свідчить, що Всесвіт, як і будь-яка замкнута система, прагне стану термодинамічного рівноваги, що характеризується максимальної ентропією і повною відсутністю макроскопічних процесів, що у свою чергу знесмислює звичне нам поняття часу. За Клаузіусом: « Енергія світу залишається незмінною. Ентропія світу прагнути максимуму» . Це означає, що коли Всесвіт прийде у стан термодинамічної рівноваги, всі процеси припиняться і світ поринути у стан «теплової смерті». Температура в будь-якій точці Всесвіту буде однією і тією ж, більше не буде будь-яких причин, здатних викликати виникнення будь-яких процесів.

Концепція теплової смерті всесвіту ще в недалекому минулому була досить поширена і була предметом активних дискусій. Так, у книзі Джинсу «Universe around us» (1932 р.) можна знайти наступні рядки щодо теплової смерті Всесвіту: «Всесвіт не може існувати вічно; рано чи пізно має настати час, коли її останній ерг енергії досягне найвищого ступеня на сходах падаючої корисності, і в цей момент активне життя Всесвіту буде припинитися».

При виведенні своєї теорії Клаузіус вдавався у своїх міркуваннях до наступних екстраполяцій (наближень):

1. Всесвіт сприймається як замкнута система.
2. Еволюція світу може бути описана як зміна його станів.

Цікавий факт : міркування про теплової смерті дозволили церкві заявити, що з наукового погляду (зокрема і завдяки теорії Клаузіуса) можна знайти передумови, що вказують існування бога. Так, у 1952 році на засіданні «папської академії наук» папа Пій 12-й у своїй промові сказав: «Закон ентропії, відкритий Рудольфом Клаузіусом, дав нам впевненість, що спонтанні природні процеси завжди пов'язані з деякою втратою вільної енергії, яка може бути використана. звідки випливає, що в замкнутій матеріальній системі, зрештою, ці процеси в макроскопічному масштабі колись припиняться. Ця сумна необхідність... красномовно свідчить про існування Необхідної Істоти».

Спростування теорії теплової смерті Всесвіту

Як зазначалося вище Клаузіусом, під час виведення його теорії застосовувалися певні екстраполяції. Сьогодні, незважаючи на деякі складнощі, можна з упевненістю сказати, що подібні висновки є антинауковими. Справа в тому, що існують певні межі застосування другого початку термодинаміки: нижня і верхня. Так, друге початок термодинаміки може бути застосовано для описи мікросистем, розміри яких можна порівняти з розмірами молекул, й у макросистем, які з нескінченного числа частинок, тобто. для Всесвіту загалом.

Власне першим ученим, який встановив статистичну природу другого початку термодинаміки та протиставив теорії теплової смерті Всесвіту так звану флуктуаційну гіпотезу, був видатний фізик-матеріаліст Больцман. Наявна формула Больцмана, що дозволяє дати статистичне тлумачення другому початку термодинаміки

Тут S – ентропія системи, k – стала Больцмана, P – термодинамічна ймовірність стану, визначальна кількість мікростанів системи, відповідних даному макростану. Згідно з формулою Больцмана,

Тобто термодинамічна ймовірність стану ізольованої системи при всіх процесах, що відбуваються в ній, не може зменшуватися. Проте т.к. для систем, що складаються з нескінченного числа частинок, всі стани будуть рівноймовірними, вищеописане співвідношення не застосовується до Всесвіту. У подібних системах мають місце значні флуктуації(Флуктуація - відхилення істинного значення деякої величини від її середнього значення), що є відхиленнями від другого початку термодинаміки. Згідно з Больцманом, стан термодинамічної рівноваги є лише найчастіше зустрічається і найбільш ймовірний; водночас у рівноважній системі можуть мимоволі виникнути як завгодно великі флуктуації. Тобто у Всесвіті, що перебуває у стані термодинамічної рівноваги, постійно виникають флуктуації, причому однією такою флуктуацією є та область простору, в якій ми перебуваємо.

Сучасний підхід безперечно відкидає теорію теплової смерті Всесвіту. З огляду на величезний вік Всесвіту і те що, що вона перебуває у стан теплової смерті, можна дійти невтішного висновку у тому, що у Всесвіті протікають процеси, що перешкоджають зростанню ентропії, тобто. процеси із негативною ентропією. Проте висновків Больцмана у тому, що у Всесвіті переважає стан термодинамічного рівноваги, дедалі більше суперечить зростаючий експериментальний матеріал астрономії. Матерія має ніколи не втрачається здатність до концентрації енергії і перетворення одних форм руху на інші. Так, наприклад, процес утворення з розсіяної матерії зірок підпорядковується певним закономірностям і не може бути зведений виключно до випадкових флуктуацій розподілу енергії у Всесвіті.

Дорогі друзі! Сьогодні ми по можливості з'ясували, який сенс має поняття ентропії для другого початку термодинаміки, дізналися, що вічний двигун другого роду неможливий, а також пораділи, що теплова смерть Всесвіту все-таки не станеться. Ми, як завжди, сподіваємося на те, що вам сподобалася наша стаття, в якій ми намагалися розповісти про термодинаміку просто, зрозуміло та цікаво. Бажаємо успіхів у навчанні та нагадуємо – підказати, допомогти, проконсультувати та взяти частину навантаження на себе завжди готові наші фахівці. Вчіться і живіть на втіху!

«Сонце стане темним, як власяниця, і місяць не дасть світла свого… Сили небесні захитаються і всі стихії згаснуть…» Ці слова були вимовлені близько двох тисяч років тому, у художніх образах описуючи, як відбуватиметься кінець часів чи теплова смерть Всесвіту. Але минуло вісімнадцять століть, поки дослідники підійшли до вивчення цієї проблеми з наукового погляду. Насправді, щойно людство відкрило собі основні це питання рано чи пізно мав виникнути. Розмірковуючи логічно, якщо якийсь природний принцип діє в замкнутій системі, чому б не припустити, що ця тенденція працює стосовно всього універсуму?

Вперше гіпотеза теплової смерті Всесвіту була висунута Вільямом Томпсоном у 1852 році, але пізніше, у 1865 році, її докладніше сформулював Р. Клаузіус. Він екстраполював на космос Відповідно до цього правила, будь-яка замкнута система прагне рівноваги, коли енергія випромінювання переходить у теплову. "Смерть" настає, коли досягається максимальний рівень ентропії. У цей момент жодного обміну енергією не відбувається, оскільки вся вона переходить у тепло. А оскільки немає підстав припускати, що крім космосу існує ще щось, то, робить висновок Клаузіус, наш Всесвіт також можна розглядати як замкнуту систему, і в ній діє той самий закон.

Звичайно, ні Томпсон, ні Клаузіус навіть не припускали, що теплова смерть Всесвіту відбудеться незабаром, проте прогнози навіть дуже віддаленого кінця світу наробили багато галасу в науковому співтоваристві і породили різноманітні спростування такої гіпотези. Ще 1872 року вчений Л. Больцман висунув теорію флуктуацій. Згідно з нею, наш Всесвіт надто величезний і складний, щоб померти такою простою смертю. Вона вічно перебувала і перебуватиме у стані ізотермічної рівноваги, проте в різних її частинах постійно відбуваються і будуть відбуватися відхилення від цього стану. Тобто такі сплески, викиди енергії не дадуть запуститися механізму переведення всієї енергії універсуму в теплову.

Сучасна наука ні підтвердила, ні спростувала гіпотезу у тому, що теплова смерть Всесвіту неминуче настане. Концепція Великого Вибуху, який нібито стався близько 14 мільярдів років тому і породив все, не доводить ще, що в космосі діє лише. стискається. А якщо так, все зростаюча ентропія не приводить систему в цілому до

Теплова смерть Всесвіту може бути поставлена ​​під питання з позицій загальної теорії відносності. Ми досі дуже мало знаємо про наш світ, щоб судити зі стовідсотковою достовірністю, чи замкнуть наш світ і чи існує поза його межами щось ще. Можливо, на нього діють інші зовнішні сили та системи? Закони фізики, відомі нам, не обов'язково мають бути застосовані у масштабі безмежного космосу, - кажуть захисники вічності випромінювання у Всесвіті. Зірки спалахують і гаснуть, але сама система знаходиться в рівновазі, що, однак, не призводить до теплової смерті всього.

Незважаючи на те, що концепція про можливу смерть Всесвіту ні підтверджена, ні спростована сучасною наукою, це питання почало хвилювати не лише «фізиків», а й «ліриків». Особливо черпають натхнення у можливій загибелі всього живого письменники-фантасти. Так, Айзек Азімов пророкував у буквальному сенсі льодовий кінець будь-якого життя у своєму оповіданні «Останнє питання». Теплова смерть усієї органіки лягла в основу сюжетів багатьох японських мультфільмів та аніме-серіалів.

Це теорія, висунута Р. Клаузіусом в 1865, згідно з якою Всесвіт розглядається як замкнута система, тому згідно з другим початком термодинаміки, ентропія Всесвіту прагне максимуму, в результаті чого з часом у ній повинні припинитися всі макроскопічні процеси.

Всесвіт: суперечки про замкнуту і незамкнуту систему

Згадаймо спершу, у чому полягає суть другого початку термодинаміки: при протіканні незворотних процесів у замкнутій системі ентропія системи зростає. Для порівняння: у незамкнених системах ентропія може як зростати, так і зменшуватися, а також залишатися без зміни.

Повернемося до нашого Всесвіту. Всесвіт, на думку Клаузіуса, є, безперечно, замкнутою системою, оскільки вона не обмінюється енергією з іншими системами (адже не існує ніякого іншого Всесвіту поза нашим?). Як замкнута система Всесвіт прагне рівноважного стану - стану з максимумом ентропії. Таким чином, всі процеси, що відбуваються у Всесвіті, повинні рано чи пізно згаснути, припинитися.

Чому критикують теорію теплової смерті Всесвіту?

Критика теорії теплової смерті Всесвіту ґрунтується в основному на твердженні, що, незважаючи на логічність аргументів, теплова смерть все ще не настала. Тим не менш, думки вчених розділилися щодо майбутнього нашого Всесвіту.

Гіпотеза невірна, бо:

1 версія:

Одні вчені стверджують, що теплова смерть Всесвіту неможлива, тому що другий закон термодинаміки невірний або просто неточний, тому що не застосовується до всього Всесвіту в цілому. Справа в тому, що стан з максимумом ентропії можна сприймати лише як ідеал, оскільки закон зростання ентропії не має абсолютного характеру (а підпорядкований імовірнісним законам). Іншими словами, через випадкові флуктуації (коливання) ентропія в системі буде завжди нижче максимуму.

2 версія:

Ще одним аргументом проти теорії Клаузіуса стає розуміння Всесвіту як нескінченного, тому його не можна назвати ні замкненою, ні незамкнутою системою (оскільки ці критерії використовуються для кінцевих об'єктів). Тому цілком логічно припустити, що в умовах нескінченності другий закон термодинаміки не застосовується в принципі, або має бути доповнений.

У будь-якому випадку знання про Всесвіт ще мізерно малі, тому будь-які прогнози щодо майбутнього Всесвіту залишаються лише здогадками. Наприклад, сьогодні серед вчених є і прихильники теорії теплової смерті Всесвіту, які стверджують, що подібний сценарій розвитку подій повинен розглядатися нарівні з іншими, оскільки людство досі не може стверджувати напевно, чи є Всесвіт нескінченним, чи він все-таки кінцевий тому може розумітися як замкнута система.

(ЯКЩО КОГО-ТО З ЧИТАЧІВ ЗАцікавить ЦЕЙ ТЕКСТ, А ТАБЛИЦЬ І ФОРМУЛ НЕ ВИСТАЧАТЬ - ПИШИТЕ МЕНІ НА ПОШТУ - ВИШЛЮ РОБОТУ В ЦІЛОМУ З СПІЛКАМИ, МАЛЮНКАМИ І ТАБЛИЦЯМИ)
Вступ
Теплова смерть Всесвіту (Т.С.В.) - це висновок про те, що всі види енергії у Всесвіті зрештою повинні перейти в енергію теплового руху, яка рівномірно розподілиться по речовині Всесвіту, після чого в ній припиняться всі макроскопічні процеси.
Цей висновок був сформульований Р. Клаузіус (1865) на основі другого початку термодинаміки. Відповідно до другого початку, будь-яка фізична система, яка не обмінюється енергією з іншими системами (для Всесвіту в цілому такий обмін, очевидно, виключений), прагне найбільш ймовірного рівноважного стану - так званого стану з максимумом ентропії.
Такий стан відповідав би Т.С.В. Ще до створення сучасної космології було зроблено численні спроби спростувати висновок про Т.С.В. Найбільш відома з них флуктуаційна гіпотеза Л. Больцмана (1872), згідно з якою Всесвіт споконвічно перебуває в рівноважному ізотермічному стані, але за законом випадку то в одному, то в іншому місці іноді відбуваються відхилення від цього стану; вони відбуваються тим рідше, чим більшу область захоплюють і чим більший ступінь відхилення.
Сучасною космологією встановлено, що хибний як висновок про Т.С.В., а й помилкові і ранні спроби його спростування. Пов'язано це з тим, що не бралися до уваги суттєві фізичні фактори і насамперед тяжіння. З урахуванням тяжіння однорідний ізотермічний розподіл речовини не є найбільш ймовірним і відповідає максимуму ентропії.
Спостереження показують, що Всесвіт різко нестаціонарний. Вона розширюється, і майже однорідне на початку розширення речовина надалі під впливом сил тяжіння розпадається окремі об'єкти, утворюються скупчення галактик, галактики, зірки, планети. Всі ці процеси природні, йдуть зі зростанням ентропії та не вимагають порушення законів термодинаміки. Вони й у майбутньому з урахуванням тяжіння не призведуть до однорідного ізотермічного стану Всесвіту - Т.С.В. Всесвіт завжди нестатичний і безперервно еволюціонує.
Термодинамічний парадокс у космології, сформульований у другій половині ХIХ століття, безперервно розбурхує з того часу наукова спільнота. Справа в тому, що він торкнувся найбільш глибинних структур наукової картини світу. Хоча численні спроби розв'язання цього феномена приводили завжди до приватних успіхів, вони породжували нові, нетривіальні фізичні ідеї, моделі, теорії. Термодинамічний феномен виступає невичерпним джерелом нових наукових знань. Разом з тим, його становлення в науці виявилося обплутаним безліччю упереджень і неправильних інтерпретацій.
Необхідний новий погляд на цю, здавалося б, досить добре вивчену проблему, яка набуває нетрадиційного змісту в пізньокласичній науці.
1. Ідея Теплової смерті Всесвіту
1.1 Поява ідеї Т.С.В.
Загроза теплової смерті Всесвіту, як ми вже говорили раніше, була висловлена ​​в середині ХIХ ст. Томсоном і Клаузіусом, коли сформульовано закон зростання ентропії в незворотних процесах. Теплова смерть - це такий стан речовини та енергії у Всесвіті, коли зникли градієнти параметрів, що їх характеризують».
Розвиток принципу незворотності, принципу зростання ентропії полягало у поширенні цього принципу на Всесвіт загалом, що було зроблено Клаузіусом.
Отже, згідно з другим початком усі фізичні процеси протікають у напрямі передачі тепла від більш гарячих тіл до менш гарячих, а це означає, що повільно, але правильно йде процес вирівнювання температури у Всесвіті. Отже, у майбутньому очікується зникнення температурних відмінностей та перетворення всієї світової енергії на теплову, рівномірно розподілену у Всесвіті. Висновок Клаузіуса був таким:
1. Енергія світу постійна
2. Ентропія світу прагне максимуму.
Таким чином, теплова смерть Всесвіту означає повне припинення всіх фізичних процесів внаслідок переходу Всесвіту до рівноважного стану з максимальною ентропією.
Больцман, який відкрив зв'язок ентропії S і статистичної ваги P, вважав, що нинішній неоднорідний стан Всесвіту є грандіозна флуктуація*, хоча її виникнення має мізерну ймовірність. Сучасники Больцмана не визнавали його поглядів, що призвело до жорстокої критики його робіт і, мабуть, призвело до хворобливого стану та самогубства Больцмана в 1906 році.
Звернувшись до вихідних формулювань ідеї теплової смерті Всесвіту, можна побачити, що вони далеко не у всьому відповідають їх добре відомим інтерпретаціям, крізь призму яких ці формулювання нами зазвичай сприймаються. Прийнято говорити про теорію теплової смерті або термодинамічний парадокс В. Томсона та Р. Клаузіуса.
Але, по-перше, відповідні думки цих авторів далеко не в усьому збігаються, по-друге, у наведених нижче висловлюваннях ні теорії, ні парадоксу немає.
В. Томсон, аналізуючи загальну тенденцію до розсіювання механічної енергії, що виявляється в природі, не поширював її на світ як ціле. Він екстраполював принцип зростання ентропії лише на протікають у природі великомасштабні процеси.
Навпаки, Клаузіус запропонував екстраполяцію цього принципу саме на Всесвіт як ціле, яке виступало для нього всеосяжною фізичною системою. За словами Клаузіуса «загальний стан Всесвіту має дедалі більше змінюватися» у напрямі, що визначається принципом зростання ентропії і, отже, цей стан має безперервно наближатися до деякого граничного стану Флуктуації та проблема фізичних кордонів 2-го Початку термодинаміки. Мабуть, уперше термодинамічний аспект у космології окреслив ще Ньютон. Саме він помітив ефект «тертя» у годинниковому механізмі Всесвіту – тенденцію, яку у середині ХІХ ст. назвали зростанням ентропії. У дусі свого часу Ньютон закликав на допомогу Господа Бога. Він і був приставлений сером Ісааком до стеження за підзаводом і ремонтом цього «годинника».
У рамках космології термодинамічний феномен був усвідомлений у середині ХІХ ст. Дискусія про парадокс породила ряд блискучих ідей широкого наукового значення («шредінгерове» пояснення Л. Больцманом «антиентропійності» життя; введення ним флуктуацій у термодинаміку, фундаментальні наслідки чого у фізиці не вичерпані досі; його ж грандіозна космологічна якої фізика у проблемі «теплової смерті» Всесвіту так ще й не вийшла, глибоке і новаторське, проте історично обмежене флуктуаційне трактування Другого Початку.
1.2 Погляд на Т.С.В. з ХХ століття
Сучасний стан науки також не узгоджується з припущенням про теплову смерть Всесвіту.
Насамперед, цей висновок має відношення до ізольованої системи і не ясно, чому Всесвіт можна відносити до таких систем.
У Всесвіті діє поле тяжіння, яке не бралося Больцманом до уваги, а воно відповідальне за появу Зірок і Галактик: сили тяжіння можуть призвести до утворення структури з хаосу, можуть породити Зірки з Космічного пилу.
Цікавим є подальший розвиток термодинаміки і з нею на ідею про Т.С.В.. Протягом XIX століття були сформульовані основні положення (початки) термодинаміки ізольованих систем. У першій половині XX століття термодинаміка розвивалася переважно не вглиб, а вшир, виникали різні її розділи: технічна, хімічна, фізична, біологічна і т. д. термодинаміки. Лише у сорокових роках з'явилися роботи з термодинаміки відкритих систем поблизу точки рівноваги, а у вісімдесятих роках виникла синергетика. Останню можна трактувати як термодинаміку відкритих систем далеко від точки рівноваги.
Отже, сучасне природознавство відкидає концепцію «теплової смерті» стосовно Всесвіту загалом. Справа в тому, що Клаузіус вдався у своїх міркуваннях до наступних екстраполяцій:
1. Всесвіт розглядається як замкнута система.
2.Еволюція світу може бути описана як зміна його станів.
Для світу як цілого стану з максимальною ентропією це має сенс як і для будь-якої кінцевої системи.
Але сама собою правомочність цих екстраполяцій дуже сумнівна, хоча пов'язані з нею проблеми становлять труднощі й у сучасної фізичної науки.
2. Закон зростання ентропії
2.1 Виведення закону зростання ентропії
Застосуємо нерівність Клаузіуса для опису незворотного кругового термодинамічного процесу, зображеного на рис.
Рис. 1.
Необоротний круговий термодинамічний процес
Нехай процес буде незворотним, а процес – оборотним. Тоді нерівність Клаузіуса для цього випадку набуде вигляду(1)
Так як процес є оборотним, для нього можна скористатися співвідношенням, яке дає
Підстановка цієї формули в нерівність (1) дозволяє отримати вираз (2)
Порівняння виразів (1) і (2) дозволяє записати таку нерівність(3), у якій знак рівності має місце у разі, якщо процес є оборотним, а знак більший, якщо процес - незворотний.
Нерівність (3) може бути записана і в диференціальній формі(4)
Якщо розглянути адіабатично ізольовану термодинамічну систему, для якої, то вираз (4) набуде вигляду або в інтегральній формі.
Отримані нерівності виражають собою закон зростання ентропії, який можна сформулювати так:
2.2 Можливість ентропії у Всесвіті
В адіабтично ізольованій термодинамічній системі ентропія не може зменшуватись: вона або зберігається, якщо в системі відбуваються лише оборотні процеси, або зростає, якщо в системі протікає хоча б один незворотний процес.
Записане твердження є ще одним формулюванням другого початку термодинаміки.
Таким чином, ізольована термодинамічна система прагне максимального значення ентропії, при якому настає стан термодинамічної рівноваги.
Слід зазначити, що й система не є ізольованою, то ній можливе зменшення ентропії. Прикладом такої системи може бути, наприклад, звичайний холодильник, всередині якого можливе зменшення ентропії. Для таких відкритих систем це локальне зниження ентропії завжди компенсується зростанням ентропії у навколишньому середовищі, яке перевищує локальне її зменшення.
З законом зростання ентропії безпосередньо пов'язаний парадокс, сформульований в 1852 Томсоном (лордом Кельвіном) і названий ним гіпотезою теплової смерті Всесвіту. Детальний аналіз цієї гіпотези був виконаний Клаузіусом, який вважав правомірним поширення на весь Всесвіт закону зростання ентропії. Дійсно, якщо розглянути Всесвіт як адіабатично ізольовану термодинамічну систему, то, враховуючи її нескінченний вік, на підставі закону зростання ентропії можна зробити висновок про досягнення нею максимуму ентропії, тобто стану термодинамічної рівноваги. Але реально навколишнього нас Всесвіту цього немає.
3. Теплова смерть Всесвіту у науковій картині Світу
3.1 Термодинамічний феномен
Термодинамічний парадокс у космології, сформульований у другій половині ХIХ століття, безперервно розбурхує з того часу наукова спільнота. Справа в тому, що він торкнувся найбільш глибинних структур наукової картини світу.
Хоча численні спроби розв'язання цього феномена приводили завжди до приватних успіхів, вони породжували нові, нетривіальні фізичні ідеї, моделі, теорії. Термодинамічний феномен виступає невичерпним джерелом нових наукових знань. Разом з тим, його становлення в науці виявилося обплутаним безліччю упереджень і неправильних інтерпретацій. Необхідний новий погляд на цю, здавалося б, досить добре вивчену проблему, яка набуває нетрадиційного змісту в постнекласичній науці.
Постнекласична наука, насамперед, теорія самоорганізації, проблему спрямованості термодинамічних процесів у природі вирішує суттєво інакше, ніж наука класична чи некласична; це знаходить вираження у сучасній науковій картині світу (НКМ).
Як же насправді виник термодинамічний феномен у космології? Неважко переконатися, що він був фактично сформульований опонентами Томсона та Клаузіуса, які побачили протиріччя між ідеєю теплової смерті Всесвіту та корінними положеннями матеріалізму про нескінченність світу у просторі та часі. Формулювання термодинамічного феномена, які ми зустрічаємо у різних авторів, на диво схожі, майже повністю збігаються. «Якби вчення про ентропію, було правильним, то передбачуваному їм «кінцю» світу мало б відповідати і «початок», мінімум ентропії», коли температурна відмінність між відокремленими частинами Всесвіту була б найбільшою.
У чому полягає епістемологічна природа аналізованого феномена? Усі цитовані автори, по суті, приписують йому філософсько-світоглядний характер. Але фактично тут поєднуються два рівні знання, які з нашої сучасної точки зору слід розрізняти. Вихідним було виникнення термодинамічного феномена лише на рівні НКМ, у якому Клаузіус і здійснював свою екстраполяцію зростання принципу ентропії на Всесвіт. Парадокс виступав як протиріччя між висновком Клаузіуса та принципом нескінченності світу в часі, згідно з космологією Ньютона. На тому ж рівні знання виникли й інші космологічні парадокси – фотометричний та гравітаційний, причому їхня епістемологічна природа була дуже подібною.
«Справді, теплова смерть Всесвіту, навіть якби вона сталася в якомусь віддаленому майбутньому, хай навіть через мільярди чи десятки мільярдів років, все одно обмежує «шкалу часу» людського прогресу» .
3.2 Термодинамічний парадокс у релятивістських космологічних моделях
Новий етап аналізу термодинамічного феномена у космології пов'язані з некласичної наукою. Він охоплює 30 – 60-ті роки сучасності. Найбільш специфічна його характеристика – перехід до розробки термодинаміки Всесвіту в концептуальних рамках теорії А.А. Фрідман. Обговорювалися як модернізовані варіанти принципу Клаузіуса, і нова модель Толмена, у якій можлива незворотна еволюція Всесвіту без досягнення максимуму ентропії. Модель Толмена зрештою отримала перевагу у визнанні наукової спільноти, хоч і не дає відповіді на деякі «важкі» питання. Але паралельно розвивався також квазікласичний «антіентропійний підхід», єдина мета якого полягала в тому, щоб за будь-яку ціну спростувати принцип Клаузіуса, а вихідною абстракцією був образ нескінченної і «вічно юної», як висловлювався Ціолковський, Всесвіт. На основі цього підходу було розроблено низку, так би мовити, «гібридних» схем та моделей, для яких було характерно досить штучне поєднання не тільки старих та нових ідей у ​​галузі термодинаміки Всесвіту, але також основ класичної та некласичної науки.
«У 30 – 40-х роках найбільшим впливом серед прихильників релятивістської космології продовжувала користуватися ідея теплової смерті Всесвіту. Енергійними прихильниками принципу Клаузіуса виступали, наприклад, А. Еддінгтон та Дж. Джинс, які неодноразово висловлювалися з приводу як фізичного сенсу цієї проблеми, так і її «людського виміру». Висновок Клаузіуса був ними трансльований у некласичну картину світу і в деяких відносинах адаптований до неї».
Змінився насамперед об'єкт екстраполяції – Всесвіт як ціле.
Великий резонанс (і багаторазове цитування) викликала у 50-ті роки зараз майже забута дискусія щодо проблем термодинаміки Всесвіту між К.П. Станюковичем та І.Р. Плоткіним. Обидві розглядають статистико-термодинамические властивості моделі Всесвіту, подібної до Всесвіту Больцмана, тобто. збігаються щодо досліджуваного об'єкта. Крім того, обидва вважали, що проблеми термодинаміки Всесвіту можуть аналізуватись і незалежно від ОТО, який не вклав у закон зростання ентропії нового змісту.
Але поряд із викладеними спробами „подолання” гіпотези Больцмана розроблялися й модернізовані варіанти цієї гіпотези. Найбільш відомий їх належить Я.П. Терлецькому.
Гібридні схеми» та моделі рішення термодинамічного парадоксу в космології викликали у 50-ті – 60-ті роки досить значний інтерес – переважно у нашій країні. Вони обговорювалися на одній із нарад з питань космогонії (Москва, 1957 р.), на симпозіумах з філософських проблем теорії відносності Ейнштейна та релятивістської космології (Київ, 1964, 1966 рр.) та ін., але надалі посилання на них ставали дедалі більшими рідкісні. Це сталося чималою мірою завдяки зрушенням у вирішенні цього кола проблем, досягнутим релятивістською космологією та нелінійною термодинамікою.
3.3 Термодинамічний парадокс у космології та постнекласична картина світу
Якісно нові риси почала набувати розробка проблеми термодинаміки Всесвіту протягом 80-х. Поряд із дослідженням Всесвіту в рамках некласичних основ у цій галузі зараз розвивається і підхід, який відповідає ознакам «піснекласичної» науки.
Наприклад, синергетика, зокрема, теорія диссипативних структур дозволяє глибше, ніж було можливо в некласичній науці, зрозуміти специфіку нашого Всесвіту як системи, що самоорганізується, саморозвивається.
Постнекласична наука дозволяє внести низку нових моментів у аналіз проблем термодинаміки Всесвіту як цілого. Але це питання обговорювалося поки що лише у найзагальніших рисах. Постнекласична наука дозволяє внести низку нових моментів у аналіз проблем термодинаміки Всесвіту як цілого. Але це питання обговорювалося поки що лише у найзагальніших рисах.
Основну мету підходу, заснованого на статистичній теорії нерівноважних процесів, І. Пригожин висловив так: «...ми відходимо від замкнутого Всесвіту, в якому все задано, до нового Всесвіту, відкритого флуктуацій, здатного народжувати нове». Спробуємо зрозуміти це висловлювання у тих аналізу тих космологічних альтернатив, які було висунуто М.П. бронштейном.
1.Теорія І. Пригожина у поєднанні з сучасним розвитком космології, мабуть, сумісна швидше з розумінням Всесвіту, як термодинамічно відкритої нерівноважної системи, що виникла внаслідок гігантської флуктуації фізичного вакууму. Таким чином, у цьому плані постнекласична наука відходить від традиційної точки зору, що розділялася і М.П. бронштейном. Крім того, при аналізі поведінки Всесвіту як цілого в сучасній науці слід, мабуть, відкинути те, що Пригожин назвав «дороговим міфом класичної науки» – принцип «необмеженої передбачуваності» майбутнього. Для нелінійних диссипативних структур це з необхідністю обліку «обмежень», зумовлених нашим впливом на природу».
Наші знання про термодинаміку Всесвіту як цілого, засновані на екстраполяції статистичної теорії нерівноважних систем, також не можуть ігнорувати прямий чи опосередкований облік ролі спостерігача.
2.Теорія І. Пригожина зовсім по-новому ставить проблему законів та початкових умов у космології, знімає протиріччя між динамікою та термодинамікою. З погляду цієї теорії виявляється, що Всесвіт, як і М.П. Бронштейн може підкорятися законам, асиметричним стосовно минулого і майбутнього – що анітрохи не суперечить фундаментальності принципу зростання ентропії, його космологічної екстраполюваності.
3.Теорія Пригожина – у високій відповідності до сучасної космологією – по-новому оцінює роль і можливість макроскопічних флуктуацій у Всесвіті, хоча колишній механізм цих флуктуацій з сучасної погляду інший, ніж в Больцмана. Флуктуації перестають бути винятковим, стають цілком об'єктивним проявом спонтанного виникнення нового у Всесвіті.
Таким чином, теорія Пригожина дозволяє досить невимушено відповісти на питання, яке вже майже півтора століття розколює наукову спільноту і так займав свого часу К.Е. Ціолковського: чому – всупереч принципу Клаузіуса – усюди у Всесвіті ми спостерігаємо не процеси монотонної деградації, а навпаки, процеси становлення, виникнення нових структур. Перехід від "фізики існуючого" до "фізики виникає" відбувся багато в чому за рахунок синтезу уявлень, що здавалися взаємовиключними в колишніх концептуальних рамках.
Ідеї ​​Пригожина, які ведуть перегляду низки фундаментальних уявлень, як і принципово нове у науці, зустрічають неоднозначне ставлення себе – насамперед серед фізиків. З одного боку, зростає кількість їх прихильників, з іншого – йдеться про недостатню коректність та обґрунтованість висновків Пригожина з погляду ідеалу розвиненої фізичної теорії. Самі ці ідеї інтерпретуються іноді зовсім однозначно; зокрема, деякі автори наголошують, що у процесі самоорганізації ентропія системи може зменшуватися. Якщо така думка правильна – вона означає, що вдалося нарешті сформулювати ті вкрай специфічні умови, про які писав К.Е. Ціолковський, обговорюючи можливості існування у природі антиентропійних процесів.
Але ідеї російського космізму, зокрема і космічної філософії К.Э. Ціолковського, присвячені цим проблемам, знаходять і більш безпосередню розробку постнекласичної науці.
Наприклад, Н.М. Моїсеєв зазначає, що в ході еволюції Всесвіту відбувається безперервне ускладнення організації структурних рівнів природи, причому цей процес має явно спрямований характер. Природою хіба що запасено певний набір потенційно можливих (тобто допустимих у межах її законів) типів організації та з розгортання єдиного світового процесу у ньому виявляється «задіяним» дедалі більше цих структур. Розум і розумна діяльність мають бути включені до загального синтетичного аналізу процесів еволюції Всесвіту.
Розробка ідей самоорганізації, зокрема, пригожинської теорії диссипативних структур, пов'язана з переглядом концептуальних основ термодинаміки, стимулювала подальше дослідження цього рівня знання. Статистична термодинаміка, розвинена ще в класичній фізиці, містить низку незавершеностей і неясностей, окремих дивно-парадоксів – незважаючи на те, що з фактами у неї начебто «все в порядку». Але, згідно з дослідженнями Ф.А. Цицина, навіть у такій сфері наукового пошуку, що явно пройшла «перевірку часом», криється чимало несподіванок.
Зіставлення характерних параметрів флуктуацій, запроваджених ще Л. Больцманом та М. Смолуховським, доводить суттєву неповноту «загальноприйнятої» статистичної інтерпретації термодинаміки. Як не дивно, ця теорія побудована у зневазі до флуктуацій! Звідси випливає, що потрібно її уточнення, тобто. побудова теорії «наступного наближення».
Більш послідовний облік флуктуаційних ефектів змушує визнати фізично нетотожними поняття «статистичної» та «термодинамічної» рівноваги. Виявляється, далі, справедливим висновок, що у повному протиріччі із «загальноприйнятим»: функціональна зв'язок між зростанням ентропії і прагненням системи до ймовірнішого стану відсутня. Не виключені й такі процеси, у яких перехід систем у більш ймовірний стан може супроводжуватись зменшенням ентропії! Врахування флуктуацій у проблемах термодинаміки Всесвіту може призвести, тим самим, до виявлення фізичних меж принципу зростання ентропії. Але Ф.А. Ціцин не обмежується у своїх висновках основами класичної та некласичної науки. Він висловлює припущення, що принцип зростання ентропії не застосовується до деяких типів суттєво нелінійних систем. Не виключена помітна «концентрація флуктуацій» у біоструктурах. Можливо навіть, що подібні ефекти вже давно фіксуються в біофізиці, але їх не усвідомлюють чи неправильно інтерпретують саме тому, що вважають «принципово неможливими». Подібні явища можуть бути відомі іншим космічним цивілізаціям та ефективно використовуватися ними, зокрема у процесах космічної експансії.
Висновок
Отже, ми можемо відзначити, що у постнекласичної науці було сформульовано принципово нові підходи до аналізу принципу Клаузіуса та усунення термодинамічного феномена у космології. Найбільш значні перспективи, яких очікується від космологічної екстраполяції теорії самоорганізації, розвиненої з урахуванням ідей російського космізму.
Необоротні процеси в різко нерівноважних, нелінійних системах дозволяють, мабуть, уникнути теплової смерті Всесвіту, оскільки він виявляється відкритою системою. Продовжуються і пошуки теоретичних схем «антіентропійних» процесів, що безпосередньо передбачаються науковою картиною світу, заснованої на космічній філософії К.Е. Ціолковського; щоправда, такий підхід розділяється лише небагатьма натуралістами. Крізь всю новизну постнекласичних підходів до аналізу проблем термодинаміки Всесвіту «просвічують», однак, ті ж «теми», які сформувалися ще в другій половині ХІХ століття і породжені парадоксом Клаузіуса і дискусіями навколо нього.
Ми бачимо таким чином, що принцип Клаузіуса досі є майже невичерпним джерелом нових ідей у ​​комплексі фізичних наук. Проте, незважаючи на появу нових моделей і схем, в яких теплова смерть відсутня, жодного «остаточного» дозволу термодинамічного парадоксу досі не досягнуто. Усі спроби розрубати «гордіїв вузол» проблем, пов'язаних із принципом Клаузіуса, незмінно призводили лише до часткових, аж ніяк не суворих і остаточних висновків, як правило, досить абстрактним. Неясності, що містилися в них, породжували все нові проблеми і поки немає особливої ​​надії, що успіху вдасться досягти в найближчому майбутньому.
Взагалі кажучи, це цілком звичайний механізм розвитку наукового пізнання, тим більше, що йдеться про одну з найбільш фундаментальних проблем. Але ж далеко не всякий принцип науки, як і взагалі не будь-який фрагмент НКМ, є настільки евристичним, яким є принцип Клаузіуса. Можна назвати кілька причин, які пояснюють, з одного боку, евристичність цього принципу, який досі не викликає нічого, крім роздратування, у догматиків – байдуже, дослідників природи або філософів, з іншого – невдачі його критиків.
Перше – складності будь-яких протистоять цьому принципу «ігор з нескінченністю», які б не були їхні концептуальні підстави.
Друга причина - використання неадекватного сенсу терміна "Всесвіт як ціле" - все ще зазвичай розуміється у значенні "всього існуючого" або "тотальності всіх речей". Невизначеність цього терміну, що цілком відповідає неясностям вживання неексплікованих смислів нескінченності, різко протистоїть чіткості формулювання самого принципу Клаузіуса. Поняття „Всесвіт” у цьому принципі не конкретизоване, але саме тому і можливо розглядати проблему його застосування до різних всесвітів, що конструюються засобами теоретичної фізики та інтерпретуються як „все існуюче” лише з точки зору даної теорії (моделі).
І, нарешті, третя причина: як сам принцип Клаузіуса, так і спроби вирішення висунутого на його основі термодинамічного парадоксу передбачили одну з рис постнекласичної науки - включеність гуманістичних факторів до ідеалів і норм пояснення, а також доказовості знань. Емоційність, з якою протягом більше сотні років критикували принцип Клаузіуса, висували різні його альтернативи, аналізували можливі схеми антиентропійних процесів, має, мабуть, мало прецедентів в історії природознавства – і класичного, і некласичного. Принцип Клаузіуса явно апелює до постнекласичної науки, яка включає „людський вимір”. Звичайно, у минулому ця особливість аналізованих знань ще не могла бути по-справжньому усвідомлена. Але сьогодні, ретроспективно, деякі «зародки» ідеалів і норм постнекласичної науки ми бачимо у цих старих дискусіях.
Література
1. Концепції сучасного природознавства. / За ред. проф. С.А. Самігіна, 2-ге вид. - Ростов н / Д: "Фенікс", 1999. - 580 с.
2.Данилець А.В.Природознавство сьогодні і завтра - СПб.: Народна бібліотека 1993
3.Дубніщева Т.Я.. Концепції сучасного природознавства. Новосибірськ: Вид-во ЮКЕА, 1997. - 340 с.
4.Пригожин І. Від існуючого до того, що виникає. М.: Наука, 1985. - 420 с.
5.Ремізов О.М. Медична та біологічна фізика. - М.: Вища школа, 1999. - 280 с.
6.Станюкович К.П. До питання термодинаміки Всесвіту // Саме там. З. 219-225.
7.Суорц Кл.Е. Незвичайна фізика звичайних явищ. Т.1. - М.: Наука, 1986. - 520 с.
8. Про людський час. - «Знання-Сила», № 2000 С.10-16
9. Ціцін Ф.А. Поняття ймовірності та термодинаміка Всесвіту // Філософські проблеми астрономії ХХ століття. М., 1976. С. 456-478.
10. Ціцін Ф.А. Термодинаміка, Всесвіт та флуктуації // Всесвіт, астрономія, філософія. М., 1988. С. 142-156
11. Ціцін Ф.А. [До термодинаміки ієрархічного Всесвіту]// Праці 6-ї наради з питань космогонії (5-7 червня 1957 р.). М., 1959. С. 225-227.

Будь-яка ділянка циклу Карно і весь цикл може бути пройдений в обох напрямках. Обхід циклу за годинниковою стрілкою відповідає тепловому двигуну, коли отримане робочим тілом тепло частково перетворюється на корисну роботу. Обхід проти годинникової стрілки відповідає холодильної машиниколи деяка кількість теплоти відбирається від холодного резервуара і передається гарячому резервуару за рахунок здійснення зовнішньої роботи. Тому ідеальний пристрій, що працює за циклом Карно, називають оборотною тепловою машиною.У реальних холодильних машинах використовують різні циклічні процеси. Усі холодильні цикли на діаграмі (p, V) обходяться проти годинникової стрілки. Енергетична схема холодильної машини представлена ​​на рис. 3.11.5.

Пристрій, що працює за холодильним циклом, може мати двояке призначення. Якщо корисним ефектом є вибір певної кількості тепла |Q2| від охолоджуваних тіл (наприклад, від продуктів у камері холодильника), такий пристрій є звичайним холодильником. Ефективність роботи холодильника можна охарактеризувати відношенням

Якщо корисним ефектом є передача певної кількості тепла | Q1 | нагріваються тіла (наприклад, повітря в приміщенні), то такий пристрій називається тепловим насосом. Ефективність βТ теплового насоса може бути визначена як відношення

отже, βТ завжди більше одиниці. Для зверненого циклу Карно