Второй закон (начало) термодинамики говорит о том, что внутренняя энергия тепла (теплота) не может самостоятельно переходить от менее нагретого объекта к более нагретому объекту.
В результате Второго закона термодинамики любая физическая система, не обменивающаяся энергией с другими системами, стремится к самому вероятному состоянию равновесия - к состоянию с наибольшей энтропией (величина характеризующая степень неупорядоченности и теплового состояния физической системы). Этот закон впервые был описан Сади Карно в 1824 году. Как следствие этого, уже в 1852 году Уильям Кельвин предложил гипотезу о грядущей в будущем “тепловой смерти Земли“ в ходе процесса остывания нашей планеты до безжизненного состояния. В 1865 году Рудольф Клаузиус распространил эту гипотезу уже на всю Вселенную.
В 1872 году австрийский физик Людвиг Больцман попытался количественно оценить энтропию с помощью формулы S = k * ln W (где, S - энтропия, k - константа Больцмана, W - количество микросостояний, реализующих макросостояние. Микросостояние - это состояние отдельной составляющей системы, а макросостояние - состояние системы в целом.
Ещё большим свидетельством справедливости гипотезы стало открытие – теплового излучения Вселенной, возникшего во время рекомбинации (соединения протонов и электронов в атомы) первичного водорода, которое случилось через 379 тысяч лет. Процесс рекомбинации происходит при температурах в 3 тысячи Кельвинов, в то же время текущая температура реликтового излучения, определенная по его максимуму составляет только 2.7 Кельвинов. Изучение реликтового излучения показало, что оно является изотропным (однородным) для любого направления на небе на уровне в 99.999%.
Астрономические наблюдения позволяют построить т.н. диаграмму Мадо («Madau-diagram»), которая показывает зависимость темпа звездообразования в зависимости от .
Изучение статистики квазаров (ядер активных галактик) позволяет независимо оценить темп звездообразования. Обзор 2DF, проведенный в 1997-2002 году на австралийском телескопе ААТ изучил около 10 тысяч квазаров на площади неба в 1.5 тысяч квадратных градусов в областях обоих галактических полюсов.
Другим доказательством верности теории будущей “тепловой смерти Вселенной“ стали исследования ядерной физики, которые показали, что энергия связи нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре растет по мере увеличения их числа в ядре большинства химических элементов.
Следствием этой зависимости стало то, что термоядерные реакции слияния с участием более легких химических элементов (к примеру, водорода и гелия) приводят к выделению значительно большего количества энергии в недрах звезд, чем термоядерные реакции с участием более тяжелых химических элементов. Кроме того теоретические исследования в конце 20 века предположили, что и не являются вечными, а постепенно испаряются под действием (гипотетическое излучение черных дыр, которое преимущественно состоит из фотонов).
Аргументы против гипотезы “тепловой смерти“ Вселенной
Сомнения в справедливости гипотезы неизбежной “тепловой смерти Вселенной” в будущем можно разделить на несколько моментов (см. иллюстрацию теории Большого разрыва Вселенной).
Существует неопределенность в прогнозировании будущих изменений объема нашей Вселенной. Существует как теория Большого разрыва Вселенной (ускоренного расширения Вселенной до бесконечности), так и теория Большого сжатия Вселенной (в будущем Вселенная начнет сжиматься). Неопределенность между этими вариантами вызвана недавними открытиями загадочной темной материи и энергии.
Существует неопределенностью в вопросе количества существующих Вселенных, и возможности связи между ними. С одной стороны фотометрический парадокс (парадокс Шезо - Ольберса) темного неба говорит о конечности размера и возраста нашей Вселенной, а так же об отсутствии её связи с другими Вселенными.
С другой стороны из принципа заурядности (принципа Коперника) следует, что наша Вселенная не уникальна, и должно существовать бесконечное множество других Вселенных с другим набором физических констант. Кроме того современная физика допускает существование пространственно-временных туннелей (кротовых нор) между разными Вселенными.
При охлаждении обычного вещества (переходе его в твердое состояние) его энтропия не увеличивается, а наоборот уменьшается:
Ключевыми моментами теории “тепловой смерти” Вселенной является возможность распада протона и существование “излучения Хокинга“, но эти гипотетические явления пока не доказаны экспериментально.
Существует большая неопределенность в вопросе влияния жизни и разума на динамику энтропии Вселенной. В вопросе влияния неразумных жизненных форм на энтропию Вселенной мало сомнений, что жизнь уменьшает энтропию. В качестве доказательств этого можно привести факты более сложной природы живых организмов по сравнению с любыми неорганическими химическими веществами. Поверхность нашей планеты за счет биосферы выглядит куда более разнообразной по сравнению с “мертвой“ поверхностью , или . Кроме того простейшие живые организмы замечены в деятельности по обогащению земной атмосферы кислородом (биогенный кислород), а так же генерированию богатых месторождений полезных ископаемых (биогенез).
В то же время остаётся без ответа вопрос о том, увеличивает или уменьшает энтропию Вселенной разумная жизнь (то есть человек)? С одной стороны человеческий мозг является наиболее сложной формой из известных среди живых организмов, как и то, что научно-технический прогресс позволил людям достичь невиданных высот в познании и конструирование, в том числе в синтезировании химических элементов и элементарных частиц, которых не наблюдается в природе. Современная человеческая цивилизация способна предотвращать крупные природные катастрофы (лесные пожары, наводнения, массовые эпидемии и т.д.) и в шаге от возможности предотвращения катастроф планетарного масштаба (падения небольших астероидов и комет).
С другой стороны человеческая цивилизация выделяется и “энтропийными“ тенденциями. Растет разрушительная мощь оружейных арсеналов вместе с увеличением числа опасных химических и ядерных производств, горная промышленность всего за десятилетия способна опустошить месторождения полезных ископаемых, которые накапливались на планете многие сотни миллионов лет. Развитие сельского хозяйства привело к обезлесению большей части поверхности нашей планеты, а так же способствует деградации почв и опутыванию. Браконьерство, выбросы парниковых газов (возможное окисление океана) и т.д. быстро сокращают биоразнобразие нашей планеты, в связи, с чем экологи причисляют нынешнее время к новому массовому вымиранию. Кроме того в последние десятилетия отмечено сильное снижение рождаемости и в наиболее развитых странах, не исключено что эта демографическая ситуация стала следствием запредельного усложнения быта человеческой цивилизации.
В связи со всеми этими тенденциями, ближайшее будущее человеческой цивилизации представляет собой огромное количество возможных вариантов: начиная от эпической картины космической колонизации всей галактики вместе со строительством сфер Дайсона, расцветом искусственного интеллекта и установлением контакта с внеземными цивилизациями вплоть до отката в вечное средневековье на планете с подорванными минеральными и биологическими ресурсами. Парадокс Ферми (Великое молчание Вселенной) добавляет ещё больше неопределенности в вопросе влияния жизни и разума на динамику энтропии Вселенной, так как существует огромный диапазон для его объяснения: от огромной редкости биосфер и разумных цивилизаций во Вселенной до гипотезы, что наша Земля представляет собой некий “заповедник“ или “матрицу“ в мире разумных сверхцивилизаций.
Современное представление о “тепловой смерти“ Вселенной
В настоящее время физики рассматривают следующую последовательность эволюции Вселенной в будущем при условии её дальнейшего расширения с текущей скоростью:
- 1-100 триллионов (1012) лет – завершение процессов образования звезд во Вселенной и угасание даже самых поздних красных карликов. После этого момента во Вселенной останутся только звездные остатки: черные дыры, нейтронные звезды и белые карлики.
- 1 квадратиллионов (1015) лет – все планеты покинут свои орбиты вокруг звезд в связи с гравитационными возмущениями от близких пролетов других звезд.
- 10-100 квинтиллионов (1018) лет – все планеты, коричневые карлики и звездные остатки покинут свои галактики по причине постоянных гравитационных возмущений друг от друга.
- 100 квинтиллионов (1018) лет – приблизительное время падения Земли на Солнце по причине излучения гравитационных волн, в случае если бы Земля пережила стадию красного гиганта и осталась бы на своей орбите.
- 2 анвигинтиллиона (1066) лет – приблизительное время полного испарения черной дыры массой с Солнце.
- 17 септдециллиардов (10105) лет – приблизительное время полного испарения черной дыры массой в 10 триллионов масс Солнца. Это время окончания эпохи черных дыр.
В дальнейшем будущее Вселенной распадается на два возможных варианта в зависимости от того является ли протон стабильной элементарной частицей или нет:
- А) Протон является нестабильной элементарной частицей;
- А1) 10 дециллионов (1033) лет – наименьшее возможное время полураспада протона согласно экспериментам ядерных физиков на Земле;
- А2) 2 ундециллиона (1036) лет – наименьшее возможное время распада всех протонов во Вселенной;
- А3) 100 додециллионов (1039) лет – наибольшее возможное время полураспада протона, которое следует из гипотезы, что Большой взрыв объясняется инфляционными космологическими теориями, и что распад протона вызван тем же процессом, который ответственен за преобладание барионов над антибарионами в ранней Вселенной;
- А4) 30 тредециллионов (1041) лет – максимальное возможное время распада всех барионов во Вселенной. После этого времени должна начаться эпоха черных дыр, так как они останутся единственными существующими небесными объектами во Вселенной;
- А5) 17 септдециллиардов (10105) лет – примерное время полного испарения даже наиболее массивных черных дыр. Это время окончания эпохи черных дыр, и наступления эпохи вечной тьмы, в которой все объекты Вселенной распались до субатомных частиц и замедлились до наименьшего энергетического уровня.
Б) Протон стабильная элементарная частица;
Б1) 100 вигинтиллионов (1063) лет – время, за которое все тела в твердой форме даже при абсолютном нуле превратятся в “жидкообразное” состоянии, вызванное эффектом квантового туннелирования – миграцией в другие части кристаллической решетки;
Б2) 101500 лет – появление гипотетических железных звезд по причине процессов холодного нуклеосинтеза, идущего путём квантового туннелирования, в ходе которого легкие ядра преобразуются в наиболее стабильный изотоп – Fe56 (по другим сведениям самым стабильным изотопом является никель-62, который обладает наиболее высокой энергией связи.). Одновременно тяжелые ядра также превращаются в железо по причине радиоактивного распада;
Б3) 10 в 1026 – 10 в 1076 лет – оценка диапазона времени в течение которого все вещество во Вселенной аккрецирует в черные дыры.
Эпоха черных дыр
И в заключение можно отметить предположение, что после 10 в 10120 лет все вещество во Вселенной достигнет минимального энергетического состояния. То есть это и будет гипотетическое наступление “тепловой смерти“ Вселенной. Кроме того у математиков существует понятие времени возврата Пуанкаре.
Это понятие означает вероятность того, что рано или поздно любая часть системы вернется в свое первоначальное состояние. Хорошей иллюстрацией этого понятия является вариант, когда в сосуде, разделенном на две части перегородкой, в одной из частей находится некий газ. Если убрать перегородку, то все равно рано или поздно наступит время, когда все молекулы газа окажутся в исходной половине сосуда. Для нашей Вселенной время возврата Пуанкаре оценивается фантастически большой величиной.
Теория “тепловой смерти“ Вселенной стала популярна и в массовой культуре. Хорошей иллюстрацией этой теории стал клип группы Комплексные числа: “Неизбежность”, а так же научно-фантастический рассказ Айзека Азимова “Последний вопрос”.
Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!
Это теория, выдвинутая Р. Клаузиусом в 1865, согласно которой Вселенная рассматривается как замкнутая система, поэтому согласно второму началу термодинамики, энтропия Вселенной стремится к максимуму, в результате чего со временем в ней должны прекратиться все макроскопические процессы.
Вселенная: споры о замкнутой и незамкнутой системе
Вспомним для начала, в чем заключается суть второго начала термодинамики: при протекании необратимых процессов в замкнутой системе энтропия системы возрастает. Для сравнения: в незамкнутых системах энтропия может как возрастать, так и убывать, а также оставаться без изменения.
Вернемся к нашей Вселенной. Вселенная, по мнению Клаузиуса, является, бесспорно, замкнутой системой, так как она не обменивается энергией с другими системами (ведь не существует никакой другой Вселенной вне нашей?). Как замкнутая система Вселенная стремится к равновесному состоянию - состоянию с максимумом энтропии. Таким образом, все происходящие во Вселенной процессы должны рано или поздно затухнуть, прекратиться.
Почему критикуют теорию тепловой смерти Вселенной?
Критика теории тепловой смерти Вселенной основывается в основном на утверждении, что, несмотря на логичность аргументов, тепловая смерть все еще не наступила. Тем не менее, мнения ученых разделились относительно будущего нашей Вселенной.
Гипотеза неверна, потому что:
1 версия:
Одни ученые утверждают, что тепловая смерть Вселенной невозможна, так как второй закон термодинамики неверен или просто неточен, так как не применим ко всей Вселенной в целом. Дело в том, что состояние с максимумом энтропии можно воспринимать лишь как идеал, так как закон возрастания энтропии не носит абсолютный характер (а подчинен вероятностным законам). Другими словами, из-за случайных флуктуаций (колебаний) энтропия в системе будет всегда ниже максимума.
2 версия:
Еще одним аргументом против теории Клаузиуса становится понимание Вселенной как бесконечной, поэтому ее нельзя назвать ни замкнутой, ни незамкнутой системой (так как эти критерии используются для конечных объектов). Поэтому вполне логично предположить, что в условиях бесконечности второй закон термодинамики не применим в принципе, или должен быть дополнен.
В любом случае знания о Вселенной еще ничтожно малы, поэтому любые прогнозы относительно будущего Вселенной остаются лишь догадками. Например, сегодня среди ученых есть и сторонники теории тепловой смерти Вселенной, которые утверждают, что подобный сценарий развития событий должен рассматриваться наравне с другими, так как человечество до сих пор не может утверждать наверняка, является ли Вселенная бесконечной, или же она все-таки конечна, поэтому может пониматься как замкнутая система.
Наиболее заметная теория о том, как началась Вселенная Большого Взрыва, где вся материя сначала существовала как сингулярность, бесконечно плотная точка в крошечном пространстве. Потом что-то привело ее к взрыву. Материя расширилась с невероятной скоростью и в конечном итоге сформировала Вселенную, которую мы видим сегодня.
Большое Сжатие, как вы могли догадаться, противоположность Большого Взрыва. Все, что разлетелось по краям Вселенной, под воздействием силы тяжести будет сжиматься. Согласно этой теории, гравитация замедлит расширение, вызванное Большим Взрывом и в конечном итоге все вернется обратно в точку.
- Неизбежная тепловая смерть Вселенной.
Подумайте о тепловой смерти, как полной противоположности Большому Сжатию. В этом случае, сила тяжести не достаточно сильна, чтобы преодолеть расширение, так как Вселенная просто держит курс на расширение в геометрической прогрессии. Галактики отдаляться друг от друга, как несчастные влюбленные, и всеохватывающая ночь между ними становится все шире и шире.
Вселенная подчиняется тем же правилам, как и любая термодинамическая система, что в конечном итоге приведет нас к тому, что тепло равномерно распределится по всей Вселенной. Наконец, вся Вселенная погаснет.
- Тепловая смерть от Черных дыр.
Согласно популярной теории, большинство материи во Вселенной вращается вокруг черных дыр. Просто посмотрите на галактики, которые содержат сверхмассивные черные дыр в их центрах. Большая часть теории черной дыры предполагает поглощение звезд или даже целых галактик, как они попадают в горизонт событий дыры.
В конце концов, эти черные дыры поглотят большую часть материи, и мы останемся в темной Вселенной.
- Конец Времени.
Если что-то вечное, то это, безусловно, время. Есть ли Вселенная или нет, время все равно идет. В противном случае, не было бы никакого способа, чтобы различить один момент из следующего. Но что, если время упущено и просто замерло? Что делать, если не будет больше моментов? Просто один и тот же момент времени. Навсегда.
Предположим, что мы живем во Вселенной, время в которой никогда не заканчивается. С бесконечным количеством времени, все, что может случиться происходит со 100-процентной вероятностью. Парадокс же произойдет, если у вас есть вечная жизнь. Вы живете бесконечное время, поэтому все, что можно гарантированно произойдет (и произойдет бесконечное количество раз). Остановка времени тоже может случится.
- Большое Столкновение.
Большое Столкновение похоже на Большое Сжатие, но гораздо более оптимистично. Представьте себе, тот же сценарий: Гравитация замедляет расширение Вселенной и все сжимается обратно в одну точку. В этой теории, сила этого быстрого сжатия достаточна, чтобы начать еще один Большой Взрыв, и Вселенная начинается снова.
Физикам не нравится это объяснение, так что некоторые ученые утверждают, что, возможно, Вселенная не пройдет весь путь обратно к сингулярности. Вместо этого, она сожмется очень сильно, а затем оттолкнется от силы, подобной той, что отталкивает мяч, когда вы его ударяете об пол.
- Большой Разрыв.
Независимо от того, как заканчивается мир, ученые пока не чувствуют необходимость использовать (ужасно заниженное) слово «большой», чтобы описать его. В этой теории, невидимая сила называется «темная энергия», она вызывает ускорение расширения Вселенной, что мы и наблюдаем. В конце концов, скорости вырастут настолько, что материя начнет рваться на мелкие частицы. Но есть и светлая сторона этой теории, по крайней мере Большого Разрыва придется ждать еще 16 миллиардов лет.
- Эффект Метастабильности Вакуума.
Эта теория зависит от идеи, что существующая Вселенная находится в крайне нестабильном состоянии. Если вы посмотрите на значения квантовых частиц физики, то можно сделать предположение, что наша Вселенная находится на грани устойчивости.
Некоторые ученые предполагают, что миллиарды лет спустя, Вселенная будет на грани разрушения. Когда это произойдет, в какой-то момент во Вселенной, появится пузырь. Подумайте об этом как об альтернативной Вселенной. Этот пузырь будет расширяться во всех направлениях со скоростью света, и уничтожать все, к чему прикасается. В конце концов, этот пузырь уничтожит все во Вселенной.
- Временной Барьер.
Потому что законы физики не имеют смысла в бесконечной мультивселенной, единственный способ понять эту модель это предположить, если что есть реальная граница, физическая граница Вселенной, и ничто не может выйти за пределы. И в соответствии с законами физики, в ближайшие 3,7 млрд лет, мы пересечем временной барьер, и Вселенная кончится для нас.
- Это не случится (потому что мы живем в мультивселенной).
По сценарию мультивселенных, с бесконечными Вселенными, эти Вселенные могут возникать в или из существующих. Они могут возникать из Больших Взрывов, уничтожаться Большими Сжатиями или Разрывами, но это не имеет никакого значения, так как новых Вселенных всегда будет больше, чем уничтоженных.
- Вечная Вселенная.
Ах, вековая идея, что Вселенная всегда была, и всегда будет. Это одна из первых концепций, которую люди, создали о природе Вселенной, но есть и новый виток в этой теории, что звучит немного интересней, ну, серьезно.
Вместо сингулярности и Большого Взрыва, который положил начало самого времени, время мог существовать раньше. В этой модели, Вселенная циклична, и будет продолжать расширяться и сжиматься всегда.
В ближайшие 20 лет мы с большей уверенностью сможем сказать, какая из этих теорий наиболее соответствует реальности. И возможно, найдем ответ на вопрос, как наша Вселенная начиналась и как она закончится.
О Вселенной мы знаем пока очень мало. На самом деле, почти ничего. Но поскольку люди задумываются о том, что происходит после их смерти, смерть целой Вселенной интересует нас не меньше. За последние годы научное сообщество выдвинуло множество теорий - вы удивитесь, узнав, насколько сильно они отличаются друг от друга. Правды, само собой, не может знать никто.
1. Большое сжатие
Самая знаменитая теория о рождении Вселенной - это теория Большого взрыва. Она гласит, что вся материя изначально существовала как сингулярность - бесконечно плотная точка посреди великого ничто. А потом по непонятным причинам произошёл взрыв. Материя вырвалась наружу с невероятной скоростью и постепенно стала известной нам Вселенной.
Как вы могли догадаться, Большое сжатие - это Большой взрыв «наоборот». Вселенная постепенно расширяется под воздействием собственной гравитации, но этому должен быть предел - некая конечная точка, граница. Когда Вселенная достигнет этой границы, то прекратит расширяться и начнёт сжиматься. Тогда вся материя (планеты, звёзды, галактики, чёрные дыры -всё) снова сожмётся в одну бесконечно плотную точку.
Правда, последние данные этой теории противоречивы - учёные недавно обнаружили, что Вселенная расширяется всё быстрее.
2. Тепловая смерть Вселенной
В общем и целом Тепловая смерть - противоположность Большому сжатию. Согласно теории, гравитация способствует тому, что Вселенная продолжит расширяться в геометрической прогрессии. Галактики будут отдаляться от друга всё дальше и дальше, подобно несчастным любовникам, и всеобъемлющая чёрная пропасть между ними будет расти.
Вселенная следует тем же правилам, что и любая термодинамическая система: тепло равномерно распределяется по всему, что в ней есть. Всё вещество Вселенной равномерно распределено среди холодного, скучного и тёмного «тумана».
В конце концов все звёзды, одна за другой, вспыхнут и погаснут, а энергии для появления новых звёзд уже не будет - вселенная погаснет. Материя всё ещё останется на месте, но в форме частиц, чьё движение будет полностью хаотичным. Эти частицы будут сталкиваться друг с другом, но без обмена энергией. А люди? Люди тоже станут всего-навсего частицами посреди бескрайней пустоты.
3. Тепловая смерть плюс чёрные дыры
Согласно популярной теории, вся материя во Вселенной движется вокруг чёрных дыр: в центре почти всех известных нам галактик есть сверхмассивные чёрные дыры. Это может означать, что звёзды и даже целые галактики в итоге будут уничтожены, как только попадут в горизонт событий.
Когда-нибудь эти чёрные дыры поглотят большую часть материи, и мы останемся один на один с тёмной Вселенной. Время от времени здесь будут появляться вспышки света - это будет означать, что какой-то объект оказался достаточно близко к чёрной дыре, чтобы выделить энергию. Затем снова станет темно.
Потом более массивные чёрные дыры поглотят менее массивные и станут таким образом ещё больше. Но это ещё не конец Вселенной: чёрные дыры со временем испаряются (теряют свою массу), так как излучают то, что в современной науке получило название излучение Хокинга. И когда умрёт последняя чёрная дыра, во Вселенной останутся только равномерно распределённые частицы с излучением Хокинга.
4. Конец времени
Если и есть в этом мире хоть что-то вечное, то это, безусловно, время. Независимо от того, будет ли существовать Вселенная, время-то уж точно никуда не исчезнет - без него просто не было бы никакой возможности отличить предыдущий момент от последующего. Но что если время просто застынет? Что если того, что мы понимаем под моментами, вообще не будет? Всё застынет в одном и том же бесконечном мгновении - навсегда.
Предположим, мы живём в бесконечной Вселенной с бесконечным временем. Это значит, что всё, что может случиться, обязательно произойдёт со стопроцентной вероятностью. Такой же парадокс возникает, если вы живёте вечно. Представьте, что время вашей жизни неограниченно, поэтому всё, что только может произойти с вами, тоже обязательно произойдёт, причём бесконечное количество раз. Таким образом, если вы живёте вечно, то шанс ненадолго выбыть из строя составляет 100%, и вы потратите вечность в темноте космоса. На основании этого учёные сделали предположение: время, в конце концов, остановится.
Если бы вы могли жить вечно, чтобы испытать всё это (через миллиарды лет после гибели Земли), вы бы даже никогда и не поняли, что-то пошло не так. Время просто остановится, и, по мнению учёных, всё застынет в одном мгновении, как на фотографии - навсегда. Будет просто одно и то же мгновение. Вы бы никогда не умерли, никогда бы не состарились. Это было бы своего рода псевдобессмертие. Но вы бы никогда об этом не узнали.
5. Большой отскок
Большой отскок похож на Большое сжатие, но куда более оптимистичное. Сценарий тот же: под воздействием гравитации расширение Вселенной замедляется, и в итоге вся материя собирается в одной точке. Согласно этой теории, силы быстрого сжатия будет достаточно, чтобы случился новый Большой взрыв - и тогда появится новая, юная Вселенная. Согласно этой модели, ничто не погибнет - материя просто «перераспределится».
Но физикам и физике такое объяснение не нравится. Поэтому некоторые учёные утверждают, что, возможно, Вселенная не пройдёт весь путь обратно к сингулярности. Вместо этого она приблизится к этому состоянию максимально близко, а потом «отскочит» с помощью силы, подобной той, какая возникает, когда мяч отскакивает от пола.
Большой отскок очень похож на Большой взрыв - теоретически появится новая Вселенная. Таким образом, наша с вами Вселенная может быть не первой, а, скажем, 400 по счёту. Но нет никакого способа это доказать - как и опровергнуть.
6. Большой разрыв
Независимо от того, как именно погибнет Вселенная, учёные не стесняются для названия новой теории использовать слово «Большой». Это, кстати, ещё слабо сказано. Согласно теории Большого разрыва, невидимая сила под названием тёмная энергия заставит Вселенную расширяться быстрее. В итоге она так разгонится, что просто разорвётся на части.
Большинство теорий говорят, что Вселенная погибнет ещё очень нескоро. Но теория Большого разрыва сулит ей относительно скорую смерть - по предварительным оценкам это случится через 16 млрд лет.
Планеты и, возможно, жизнь ещё будут существовать. И этот вселенский катаклизм может разом всё погубить: разорвать всё на части или скормить космическим львам, живущим между вселенными. О том, что произойдёт, можно только догадываться. Но такой конец будет куда страшнее, чем медленная тепловая смерть.
7. Метастабильность вакуума
Теория основана на идее, что Вселенная постоянно находится в нестабильном состоянии - квантовая физика вообще говорит, что она балансирует на грани устойчивости. Некоторые учёные полагают, что через миллиарды лет Вселенная шагнёт за эту грань.
Когда это произойдёт, появится своего рода «пузырь». Думайте о нём, как об альтернативной Вселенной (хотя фактически это будет та же самая Вселенная с другими свойствами). Пузырь начнёт расширяться во всех направлениях со скоростью света и уничтожать всё, с чем соприкоснётся. И в итоге уничтожит всё.
Но не волнуйтесь: Вселенная при этом всё ещё будет существовать. Только законы физики в ней будут совершенно другими, но там тоже вполне может возникнуть жизнь. Только там не будет ничего, что мы, люди, будем в состоянии понять.
8. Временной барьер
Если мы попробуем рассчитать, какова вероятность существования мультивселенной, в которой есть бесконечное число вселенных, но немного (или совершенно) разных, то столкнёмся с той же проблемой, что и в теории о Конце времени: всё, что может случиться, обязательно случится.
Чтобы обойти эту проблему, учёные берут отдельный участок Вселенной и вычисляют вероятность его существования. Расчёты кажутся логичными, но делят Вселенную на отдельные куски - как торт. И у каждого куска есть граница, как у областей на политической карте мира. Только надо представить, что каждую страну разделяет устремляющая в небо стена.
Эта модель может существовать только в том случае, если границы - настоящие, физические, за пределы которых ничто не может выйти. Согласно расчётам, в ближайшие 3,7 млрд лет мы пересечём этот временной барьер, и для нас вселенная закончится.
Это в общих чертах - понимания физики, чтобы описать теорию более детально, у нас не хватает. У физиков, правда, тоже. Но перспектива кажется жутковатой.
9. Конца Вселенной не будет! (…мы же живём в мультивселенной, да?)
В мультивселенной бесконечные вселенные могут возникать в пределах всего существующего или за его пределами. Вселенные могут начинаться с Большого взрыва. Наша может закончиться Большим сжатием или Большим разрывом, или вообще Большим пинком (такую теорию ещё не придумали, так что если у вас есть знакомые физики, можете подкинуть им идею).
Но это не имеет значения: в мультивселенной наша Вселенная - не уникальный случай, она просто одна из многих. И хотя она может погибнуть, с мультивселенной при этом ничего особенного не случится. А значит, конца не будет.
Несмотря на то, что даже само время в других вселенных может быть совершенно другим и вести себя по-другому, новые вселенные в мультивселенной появляются всё время (извините за каламбур). Согласно физике, новых вселенных всегда будет больше, чем старых, так что в теории число вселенных постоянно растёт.
10. Вечная Вселенная
То, что Вселенная всегда была и всегда будет - одна из первых разработанных людьми концепций о её природе. Но есть и нечто посерьёзнее.
Можно предположить, что Большой взрыв был началом времени. Но возможно и то, что время существовало до него, а сингулярность и взрыв могли появиться из-за столкновения двух бран - листообразных структур пространства, формирующихся на более высоком уровне существования. Согласно этой модели, Вселенная циклична и всегда будет расширяться и сжиматься.
Теоретически мы может узнать это наверняка в ближайшие 20 лет. У учёных есть спутник «Планк» специально для наблюдений за Вселенной. Конечно, это нелегко, но учёные всё же могут понять, с чего началась наша Вселенная и чем она закончится. Теоретически, опять же.
Ограничение области знания лишь небольшой группой людей ослабляет философский дух народа и ведет к духовному обнищанию.
А. Эйнштейн
Классическая термодинамика оказалась не способной решить и космологические проблемы характера протекания процессов, происходящих во Вселенной. Уильям Томпсон экстраполировал принцип возрастания энтропии на крупномасштабные процессы, протекающие в природе. На основе этого Р. Клаузиус распространил этот принцип на Вселенную в целом, что привело его к гипотезе о "тепловой смерти Вселенной". Все физические процессы, согласно второму началу термодинамики, протекают в направлении передачи тепла от более горячих тел к менее горячим. Это означает, что медленно, но верно идет процесс выравнивания температуры во Вселенной. Следовательно, будущее вырисовывается перед нами в достаточно трагических тонах:
ожидается исчезновение температурных различий в природе и превращение всей мировой энергии в теплоту, равномерно распределенную во Вселенной. Отсюда Клаузиус выдвинул два постулата:
Энергия Вселенной всегда постоянна.
Энтропия Вселенной всегда растет к максимуму.
Если принять второй постулат, то необходимо признать, что процессы во Вселенной направлены в сторону достижения состояния термодинамического равновесия, соответствующего максимуму энтропии, а следовательно, состояния, характеризуемого наибольшей степенью хаоса, беспорядка и дезорганизации. В таком случае во Вселенной наступит тепловая смерть и никакой полезной работы в ней произвести будет нельзя.
Вытекающий отсюда вывод о грядущей тепловой смерти Вселенной, означает прекращение каких-либо физических процессов вследствие перехода Вселенной в равновесное состояние с максимальной энтропией. На протяжении всего дальнейшего развития этот вывод привлекает внимание ученых, ибо затрагивает не только глубинные проблемы чисто научного характера, но также философско-мировоззренческие аспекты, указывающие определенную верхнюю границу возможного существования человечества. Такие мрачные прогнозы встретили критику со стороны ряда выдающихся ученых. Однако в середине XIX в. мало было научных аргументов для опровержения мнения Р. Клаузиуса. Только единицы догадывались, что понятие закрытой, или изолированной, системы является далеко идущей абстракцией, не отражающей реальный характер систем, которые встречаются в природе.
С научной точки зрения возникают проблемы правомерности следующих экстраполяций, высказанных Клаузиусом:
Вселенная рассматривается как замкнутая система.
Эволюция мира может быть описана как смена его состояний.
Для мира как целого состояние с максимальной энтропией имеет смысл, как и для любой конечной системы.
Проблемы эти представляют несомненную трудность и для современной физической теории. Решение их следует искать в общей теории относительности и развивающейся на ее основе современной космологии. Многие теоретики считают, что в общей теории относительности мир как целое должен рассматриваться не как замкнутая система, а как система, находящаяся в переменном гравитационном поле. В связи с этим применение закона возрастания энтропии не приводит к выводу о необходимости в нем статистического равновесия.
Проблему будущего развития Вселенной пытался разрешить и Больцман, применивший к замкнутой Вселенной понятие флуктуации. Под флуктуацией какой-то физической величины понимается отклонение истинного значения данной величины от ее среднего значения, обусловленного, например, хаотическим тепловым движением частиц системы. Больцман принял ограничение Максвелла, согласно которому для небольшого числа частиц второе начало термодинамики не должно применяться, ибо в случае небольшого числа молекул нельзя говорить о состоянии равновесия системы. При этом он использует это ограничение для Вселенной, рассматривая видимую часть Вселенной как небольшую область бесконечной Вселенной. Для такой небольшой области допустимы небольшие флуктуационные отклонения от равновесия, благодаря чему в целом исчезает необратимая эволюция Вселенной в направлении к хаосу.
К сожалению, мечта Больцмана не сбылась в полной мере. Ему не удалось найти ключ к объединению динамики и второго начала термодинамики, а предлагаемая флуктуационная модель эволюции Вселенной имела всего лишь характер гипотезы. Скептическое отношение многих ученых к атомистической теории Больцмана (сам он был убежден в том, что отстаиваемое им учение об атомах завоюет признание через много десятков лет), трудности с определением роли второго начала термодинамики в системе естествознания, а возможно, и ряд других причин привели этого замечательного ученого к трагическому концу. В 1906 году он покончил жизнь самоубийством.
XX век вносит коррективы в изучение проблем эволюции Вселенной. Формируется новое междисциплинарное направление - синергетика, и на его основе возникает теория самоорганизации сложных систем. В отличие от закрытых, или изолированных, реальными системами в природе являются открытые системы. Они обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией. Опыт и практическая деятельность свидетельствовали, что понятие закрытой, или изолированной, системы представляет собой далеко идущую абстракцию и потому она слишком упрощает и углубляет действительность, поскольку в ней трудно или даже невозможно найти системы, которые бы не взаимодействовали с окружающей средой. Поэтому в новой термодинамике место закрытой изолированной системы заняло принципиально иное фундаментальное понятие открытой системы, которая способна обмениваться с окружающей средой веществом, энергией и информацией.
Открытая система не может быть равновесной, потому что ее функционирование требует непрерывного поступления из внешней среды энергии или вещества, богатого энергией. В результате такого взаимодействия система, как указывал Эрвин Шредингер, извлекает порядок из окружающей среды и тем самым вносит беспорядок в эту среду. В открытых системах также производится энтропия, поскольку в них происходят необратимые процессы, но энтропия в этих системах не накапливается, как в закрытых системах, а выводится в окружающую среду. Поскольку энтропия характеризует степень беспорядка в системе, постольку можно сказать, что открытые системы живут за счет заимствования энергии или вещества из внешней среды. Очевидно, что с поступлением новой энергии или вещества неравновесность в системе возрастает. В конечном счете прежняя взаимосвязь между элементами системы, которая определяет ее структуру, разрушается. Между элементами системы возникают новые связи, которые приводят к кооперативным процессам, т. е. к коллективному поведению ее элементов. Так, схематически могут быть охарактеризованы процессы самоорганизации открытых систем.
Как отмечает основоположник теории самоорганизации И. Р. Пригожин, переход от термодинамики равновесных состояний к термодинамике неравновесных процессов, несомненно, знаменует прогресс в развитии ряда областей науки.
ВЫВОДЫ
1. Детерминизм - это учение о всеобщей закономерной связи явлений и процессов в окружающем мире. Причинность является одной из форм проявления детерминизма. Исторически в науке сложились два основных типа причинно-следственных связей и соответственно два типа закономерностей - динами ческие и статистические (вероятностные).
2. Современную концепцию детерминизма можно сформиро вать следующим образом: динамические законы представляют собой первый, низший этап в процессе познания окружающего нас мира; статистические законы более совершенно отображают объективные связи в природе: они являются следующим, более высоким этапом познания.
3. Наиболее ярко динамический и статистический де терминизм проявляется при рассмотрении тепловых про цессов. Динамический подход характерен термодинамике. Молекулярно-кинетическая теория использует статистичес кий метод, интересуясь не движением отдельных молекул, а только средними величинами, которые характеризуют дви жение огромной совокупности частиц. Поэтому при изучении тепловых явлений в науке используют два направления: статистические законы и термодинамические законы, изуча ющие тепловые процессы без учета молекулярного строения вещества.
4. Если к системе подводится тепло и над ней производится работа, то энергия системы возрастает до величины, равной сумме этих величин. Невозможно осуществить процесс, единс твенным результатом которого было бы превращение тепла в работу при постоянной температуре. Тепло не может перетечь самопроизвольно от холодного тела к горячему.
Энтропия есть мера неупорядоченности системы. Энтропия замкнутой системы, т. е. системы, которая не обменивается с окружением ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает.
Основываясь на связи энтропии с вероятностью, Больцман сформулировал, что природа стремится перейти из состояния менее вероятного в состояние более вероятное. Энтропия системы, находящейся в равновесном состоянии, максимальна и постоянна.
Второе начало термодинамики устанавливает в природе наличие фундаментальных асимметрий, т. е. однонаправленности всех происходящих самопроизвольных процессов. Об этой асимметрии, выделенной Клаузиусом и Кельвином, говорят все окружающие нас явления. Хотя количество энергии в замкнутых системах сохраняется, распределение энергии меняется необратимым способом. Распространение принципа возрастания энтропии на всю Вселенную привело Клаузиуса и Кельвина к гипотезе "тепловой смерти Вселенной".
Большинство систем являются открытыми, т. е. обменивающимися энергией или веществом с окружающей средой, поэтому понятие термодинамики расширялись для открытых систем. Энтропия в открытых системах может возникать и переноситься.
В стационарных неравновесных состояниях производится минимальная величина энтропии, что отражает внутреннюю инерцию и устойчивость систем, поэтому, если какие-то внешние условия не позволяют системе перейти в устойчивое равновесие, она перейдет в стационарное с минимальным производством энтропии - теорема Пригожина.
Вопросы для контроля знаний
Чем отличаются универсальные законы от статистических?
Почему лапласовский детерминизм оказался несостоятельным?
Почему причинность не совпадает с детерминизмом в целом?
Как можно было бы определить современный детерминизм?
Какие процессы называются обратимыми?
Что выражает первый закон термодинамики?
Дайте простую формулировку второго закона термодинамики.
Как можно сформулировать этот же закон с помощью понятия энтропии?
Как происходит эволюция в закрытых системах?
Кто впервые выдвинул идею "тепловой смерти Вселенной" и в чем ее несостоятельность по современным представлениям?
Как происходит самоорганизация в открытых системах?
