Темповая смерть Вселенной

Введение

Тепловая смерть Вселенной (Т.С. В.) - это вывод о том, что  все виды энергии во Вселенной, в конце концов, должны перейти в энергию теплового движения, которая равномерно распределится по веществу Вселенной, после чего в ней прекратятся все макроскопические процессы. Этот вывод был сформулирован Р. Клаузиусом (1865) на основе второго начала термодинамики. Согласно второму началу, любая физическая система, не обменивающаяся энергией с другими системами (для Вселенной в целом такой обмен, очевидно, исключен), стремится к наиболее вероятному равновесному состоянию - к так называемому состоянию с максимумом энтропии. Такое состояние соответствовало бы Т. С.В. Ещё до создания современной космологии были сделаны многочисленные попытки опровергнуть вывод о Т. С.В. Наиболее известна из них флуктуационная гипотеза Л. Больцмана (1872), согласно которой Вселенная извечно пребывает в равновесном изотермическом состоянии, но по закону случая то в одном, то в другом её месте иногда происходят отклонения от этого состояния; они происходят тем реже, чем большую область захватывают и чем значительнее степень отклонения. Современной космологией установлено, что ошибочен не только вывод о Т.С.В., но ошибочны и ранние попытки его опровержения. Связано это с тем, что не принимались во внимание существенные физические факторы и прежде всего тяготение. С учётом тяготения однородное изотермическое распределение вещества вовсе не является наиболее вероятным и не соответствует максимуму энтропии. Наблюдения показывают, что Вселенная резко нестационарна. Она расширяется, и почти однородное в начале расширения вещество в дальнейшем под действием сил тяготения распадается на отдельные объекты, образуются скопления галактик, галактики, звёзды, планеты. Все эти процессы естественны, идут с ростом энтропии и не требуют нарушения законов термодинамики. Они и в будущем с учётом тяготения не приведут к однородному изотермическому состоянию Вселенной - к Т. С.В. Вселенная всегда нестатична и непрерывно эволюционирует. Термодинамический парадокс в космологии, сформулированный во второй половине ХIХ века, непрерывно будоражит с тех пор научное сообщество. Дело в том, что он затронул наиболее глубинные структуры научной картины мира. Хотя многочисленные попытки разрешения этого парадокса приводили всегда лишь к частным успехам, они порождали новые, нетривиальные физические идеи, модели, теории. Термодинамический парадокс выступает неиссякаемым источником новых научных знаний. Вместе с тем, его становление в науке оказалось опутанным множеством предубеждений и совершенно неверных интерпретаций. Необходим новый взгляд на эту, казалось бы, довольно хорошо изученную проблему, которая приобретает нетрадиционный смысл в постнеклассической науке.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Идея Тепловой смерти  Вселенной

1.1 Появление идеи Т.С.В.

Угроза тепловой смерти Вселенной, как мы уже говорили ранее, была высказана  в середине ХIХ в. Томсоном и Клаузиусом, когда был сформулирован закон возрастания энтропии в необратимых процессах. Тепловая смерть - это такое состояние вещества и энергии во Вселенной, когда исчезли градиенты параметров, их характеризующих. Развитие принципа необратимости, принципа возрастания энтропии состояло в распространении этого принципа на Вселенную в целом, что и было сделано Клаузиусом.

Итак, согласно второму началу все физические процессы протекают  в направлении передачи тепла  от более горячих тел к менее горячим, а это означает, что медленно, но верно идет процесс выравнивания температуры во Вселенной. Следовательно, в будущем ожидается исчезновение температурных различий и превращение всей мировой энергии в тепловую, равномерно распределенную во Вселенной. Вывод Клаузиуса был следующим:

1. Энергия мира постоянна

2. Энтропия мира стремится  к максимуму.

Таким образом, тепловая смерть Вселенной означает полное прекращение  всех физических процессов вследствие перехода Вселенной в равновесное  состояние с максимальной энтропией.

Больцман, открывший связь  энтропии S и статистического веса P, считал, что нынешнее неоднородное состояние Вселенной есть грандиозная  флуктуация*, хотя ее возникновение  имеет ничтожно малую вероятность. Современники Больцмана не признавали его взглядов, что привело к  жестокой критике его работ и, по-видимому, привело к болезненному состоянию и самоубийству Больцмана  в 1906 г.

Обратившись к исходным формулировкам  идеи тепловой смерти Вселенной, можно  видеть, что они далеко не во всем соответствуют их хорошо известным интерпретациям, сквозь призму которых эти формулировки нами обычно воспринимаются. Принято говорить о теории тепловой смерти или термодинамическом парадоксе В. Томсона и Р. Клаузиуса.

Но, во-первых, соответствующие  мысли этих авторов далеко не во всем совпадают, во-вторых, в приводимых ниже высказываниях ни теории, ни парадокса  не содержится.

В. Томсон, анализируя проявляющуюся  в природе общую тенденцию  к рассеянию механической энергии, не распространял ее на мир как  целое. Он экстраполировал принцип  возрастания энтропии лишь на протекающие  в природе крупномасштабные процессы. Напротив, Клаузиус предложил экстраполяцию этого принципа именно на Вселенную как целое, выступавшую для него всеобъемлющей физической системой. По словам Клаузиуса "общее состояние Вселенной должно все больше и все больше изменяться" в направлении, определяемом принципом возрастания энтропии и, следовательно, это состояние должно непрерывно приближаться к некоторому предельному состоянию Флуктуации и проблема физических границ 2-го Начала термодинамики. Пожалуй, впервые термодинамический аспект в космологии обозначил еще Ньютон. Именно он подметил эффект "трения" в часовом механизме Вселенной - тенденцию, которую в середине XIX в. назвали ростом энтропии. В духе своего времени Ньютон призвал на помощь Господа Бога. Он и был приставлен сэром Исааком к слежению за подзаводом и ремонтом этих "часов".

В рамках космологии термодинамический  парадокс был осознан в середине XIX в. Дискуссия о парадоксе породила ряд блестящих идей широкого научного значения ("шредингерово" объяснение Л. Больцманом "антиэнтропийности" жизни; введение им флуктуаций в термодинамику, фундаментальные следствия чего в физике не исчерпаны до сих пор; его же грандиозная космологическая флуктуационная гипотеза, за концептуальные рамки которой физика в проблеме "тепловой смерти" Вселенной так еще и не вышла; глубокая и новаторская, но тем не менее исторически ограниченная флуктуационная трактовка Второго Начала.

 

1.2 Взгляд на Т.С.В. из  ХХ века

Современное состояние науки  также не согласуется с предположением о тепловой смерти Вселенной. Прежде всего, этот вывод имеет отношение  к изолированной системе и  не ясно, почему Вселенную можно  относить к таким системам.

Во Вселенной действует  поле тяготения, которое не принималось  Больцманом во внимание, а оно ответственно за появление Звезд и Галактик: силы тяготения могут привести к  образованию структуры из хаоса, могут породить Звезды из Космической  пыли. Интересно дальнейшее развитие термодинамики и с ней на идею о Т. С.В. На протяжении XIX века были сформулированы основные положения (начала) термодинамики  изолированных систем. В первой половине XX века термодинамика развивалась  в основном не вглубь, а вширь, возникали  различные ее разделы: техническая, химическая, физическая, биологическая  и т.д. термодинамики. Только в сороковых  годах появились работы по термодинамике  открытых систем вблизи точки равновесия, а в восьмидесятых годах возникла синергетика. Последнюю можно трактовать как термодинамику открытых систем вдали от точки равновесия. Итак, современное естествознание отвергает  концепцию "тепловой смерти" применительно  к Вселенной в целом. Дело в  том, что Клаузиус прибегнул в своих рассуждениях к следующим экстраполяциям:

1. Вселенная рассматривается  как замкнутая система.

2. Эволюция мира может  быть описана как смена его  состояний.

тепловая смерть вселенная энтропия

Для мира как целого состояния  с максимальной энтропией это  имеет смысл, как и для любой  конечной системы. Но сама по себе правомочность  этих экстраполяций весьма сомнительна, хотя связанные с ними проблемы представляют трудность и для современной физической науки.

 

2. Тепловая смерть Вселенной в научной картине Мира

2.1 Термодинамический парадокс

Термодинамический парадокс в космологии, сформулированный во второй половине ХIХ века, непрерывно будоражит с тех пор научное сообщество. Дело в том, что он затронул наиболее глубинные структуры научной картины мира. Хотя многочисленные попытки разрешения этого парадокса приводили всегда лишь к частным успехам, они порождали новые, нетривиальные физические идеи, модели, теории. Термодинамический парадокс выступает неиссякаемым источником новых научных знаний. Вместе с тем, его становление в науке оказалось опутанным множеством предубеждений и совершенно неверных интерпретаций. Необходим новый взгляд на эту, казалось бы, довольно хорошо изученную проблему, которая приобретает нетрадиционный смысл в постнеклассической науке.

Постнеклассическая наука, прежде всего, теория самоорганизации, проблему направленности термодинамических процессов в природе решает существенно иначе, чем наука классическая или неклассическая; это находит выражение в современной научной картине мира (НКМ). Как же на самом деле появился термодинамический парадокс в космологии? Нетрудно убедиться, что он был фактически сформулирован оппонентами Томсона и Клаузиуса, которые увидели противоречие между идеей тепловой смерти Вселенной и коренными положениями материализма о бесконечности мира в пространстве и времени. Формулировки термодинамического парадокса, которые мы встречаем у различных авторов, на редкость схожи, практически полностью совпадают. "Если бы учение об энтропии, было правильным, то предполагаемому им "концу" мира должно было бы соответствовать и "начало", минимум энтропии", когда температурное различие между обособленными частями Вселенной было бы наибольшим.

В чем же состоит эпистемологическая природа рассматриваемого парадокса? Все цитированные авторы, по сути, приписывают ему философско-мировоззренческий характер. Но фактически здесь смешиваются два уровня знания, которые с нашей современной точки зрения следует различать. Исходным было все-таки возникновение термодинамического парадокса на уровне НКМ, на котором Клаузиус и осуществлял свою экстраполяцию возрастания принципа энтропии на Вселенную. Парадокс выступал как противоречие между выводом Клаузиуса и принципом бесконечности мира во времени, согласно космологии Ньютона. На том же уровне знания возникли и другие космологические парадоксы - фотометрический и гравитационный, причем их эпистемологическая природа была очень сходной. В самом деле, тепловая смерть Вселенной, даже если бы она произошла в каком-то отдаленном будущем, пусть даже через миллиарды или десятки миллиардов лет, все равно ограничивает "шкалу времени" человеческого прогресса.

 

2.2 Термодинамический парадокс в релятивистских космологических моделях

Новый этап анализа термодинамического парадокса в космологии связан уже  с неклассической наукой. Он охватывает 30 - 60-е годы ХХ века. Наиболее специфическая  его черта - переход к разработке термодинамики Вселенной в концептуальных рамках теории А.А. Фридмана.

Обсуждались как модернизированные  варианты принципа Клаузиуса, так и новая модель Толмена, в которой возможна необратимая эволюция Вселенной без достижения максимума энтропии. Модель Толмена в конечном счете получила перевес в признании научного сообщества, хотя и не дает ответа на некоторые "трудные" вопросы. Но параллельно развивался также квазиклассический "антиэнтропийный подход", единственная цель которого состояла в том, чтобы любой ценой опровергнуть принцип Клаузиуса, а исходной абстракцией был образ бесконечной и "вечно юной", как выражался Циолковский, Вселенной. На основе этого подхода был разработан ряд, так сказать, "гибридных" схем и моделей, для которых было характерно довольно искусственное сочетание не только старых и новых идей в области термодинамики Вселенной, но также оснований классической и неклассической науки.

В 30 - 40-е годы наибольшим влиянием среди сторонников релятивистской космологии продолжала пользоваться идея тепловой смерти Вселенной. Энергичными  сторонниками принципа Клаузиуса выступали, например, А. Эддингтон и Дж. Джинс, неоднократно высказывавшиеся по поводу как физического смысла этой проблемы, так и ее "человеческого измерения". Вывод Клаузиуса был ими транслирован в неклассическую картину мира и в некоторых отношениях адаптирован к ней.

Изменился, прежде всего, объект экстраполяции - Вселенная как целое. Большой резонанс (и многократное цитирование) вызвала в 50-е годы сейчас почти забытая дискуссия по проблемам термодинамики Вселенной между К.П. Станюковичем и И.Р. Плоткиным. Обе они рассматривают статистико-термодинамические свойства модели Вселенной, сходной с Вселенной Больцмана, т.е. совпадают в отношении исследуемого объекта. Кроме того, оба считали, что проблемы термодинамики Вселенной могут анализироваться и независимо от ОТО, которая не вложила в закон возрастания энтропии нового содержания. Но наряду с изложенными попытками „преодоления” гипотезы Больцмана разрабатывались и модернизированные варианты самой этой гипотезы. Наиболее известный из них принадлежит Я.П. Терлецкому. "Гибридные схемы" и модели решения термодинамического парадокса в космологии вызвали в 50-е - 60-е годы довольно значительный интерес - преимущественно в нашей стране. Они обсуждались на одном из совещаний по вопросам космогонии (Москва, 1957 г.), на симпозиумах по философских проблемам теории относительности Эйнштейна и релятивистской космологии (Киев, 1964, 1966 гг.) и др., но в дальнейшем ссылки на них становились все более редкими. Это произошло в немалой степени благодаря сдвигам в решении этого круга проблем, достигнутым релятивистской космологией и нелинейной термодинамикой.

 

2.3 Термодинамический парадокс в космологии и постнеклассическая картина мира

Качественно новые черты  начала приобретать разработка проблемы термодинамики Вселенной на протяжении 80-х годов. Наряду с исследованием  Вселенной в рамках неклассических оснований в этой области сейчас развивается и подход, который  соответствует признакам "постнеклассической" науки. Например, синергетика, в частности, теория диссипативных структур позволяет глубже, чем было возможно в неклассической науке, понять специфику нашей Вселенной как самоорганизующейся, саморазвивающейся системы. Постнеклассическая наука позволяет внести ряд новых моментов в анализ проблем термодинамики Вселенной как целого. Но этот вопрос обсуждался пока лишь в самых общих чертах. Постнеклассическая наука позволяет внести ряд новых моментов в анализ проблем термодинамики Вселенной как целого. Но этот вопрос обсуждался пока лишь в самых общих чертах. Основную цель подхода, основанного на статистической теории неравновесных процессов, И. Пригожин выразил так:". мы отходим от замкнутой Вселенной, в которой все задано, к новой Вселенной, открытой флуктуациям, способной рождать новое". Попытаемся понять это высказывание в контексте анализа тех космологических альтернатив, которые были выдвинуты М.П. Бронштейном.