Сколько длится тепловая смерть вселенной

Тепловая смерть Вселенной

Тепловая смерть Вселенной — что это за теория

Теория о тепловой смерти Вселенной: если экстраполировать второе начало термодинамики на Вселенную, получается, что в какой-то момент она придет в состояние термодинамического равновесия с максимумом энтропии.

Энтропия — это мера необратимого рассеяния энергии.

Гипотеза о тепловой смерти, или Большом замерзании Вселенной была выдвинута Рудольфом Юлиусом Эмануэлем Клаузиусом в 1865 году.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Возможна ли тепловая смерть, когда наступит

Аргументы, доказывающие несостоятельность теории тепловой смерти:

1. Вселенная бесконечна, значит, законы термодинамики, описывающие конечные системы, нельзя применять к такому объекту в принципе.
2. В закрытых и изолированных системах, содержащих подсистемы, являются вполне возможными бесконечно длящиеся устойчивые неравновесные состояния.
3. Если учитывать гравитацию, то очень вероятно, что изотермическое распределение вещества во вселенной неоднородно. Сама по себе теория однородности вселенной не доказана и относится к области космологической философии, а не к выводам на основе наблюдаемых астрономами фактов. Напротив, наблюдаемые реликтовые холодные пятна ставят эту теорию под сомнение. При этом доказано, что вселенная расширяется, соответственно, в ней постоянно образуются новые объекты, что не позволит энтропии достичь максимума.
4. Состояние максимума энтропии в принципе является неким идеалом и статистически крайне маловероятно, и тем более не доказано, что это состояние приведет к гибели вселенной.
5. Если верна теория Большого разрыва вселенной, распад нашей галактики, Солнечной системы, Земли и атомов, оставшихся на местах этих объектов, начнется задолго до приближения к Большому замерзанию и полностью завершится примерно через 22 миллиарда лет. Это означает, что законы физики, на основе которых возможна теория о тепловой смерти Вселенной, перестанут работать, и мы не можем предсказать, что будет происходить со Вселенной.

Несмотря на критику теории Клаузиуса, его рассуждения послужили дальнейшему развитию космологических теорий и в итоге привели к появлению релятивистско-термодинамической модели эволюции.

Оценка приближения температуры абсолютно темной и невероятно расширившейся Вселенной к абсолютному нулю зависит от того, какой частицей является протон в рассматриваемых моделях — стабильной или нестабильной. В варианте, где протон нестабилен, тепловая смерть Вселенной наступает примерно через \(10^<100>\) лет. Если же протон является стабильной частицей, распад всех объектов во Вселенной на субатомные элементы произойдет через \(10^<1026>\;-\;10^<1076>\) лет.

Источник

Тепловая смерть Вселенной

Теплова́я смерть Вселе́нной, также Большо́е замерза́ние [1] — гипотеза, выдвинутая Р. Клаузиусом в 1865 году на основании экстраполяции второго начала термодинамики на всю Вселенную. По мысли Клаузиуса, Вселенная с течением времени должна в конце концов прийти в состояние термодинамического равновесия, или «тепловой смерти» [2] (термин, описывающий конечное состояние любой замкнутой термодинамической системы).

Если Вселенная является плоской или открытой, то она будет расширяться вечно (см. «Вселенная Фридмана») и ожидается, что в итоге такой эволюции она достигнет состояния «тепловой смерти» [3] . Если космологическая константа положительна, на что указывают последние наблюдения, Вселенная в конечном счёте приблизится к состоянию максимальной энтропии [4] .

Содержание

История гипотезы

В 1852 году Уильям Томсон (барон Кельвин) сформулировал «принцип рассеяния энергии», из которого следовало, что спустя конечный промежуток времени Земля очутится в состоянии, непригодном для обитания человека [5] . Это была первая формулировка идей о «тепловой смерти», пока только Земли.

Вывод о тепловой смерти Вселенной был сформулирован Р. Клаузиусом в 1865 году на основе второго начала термодинамики. Согласно второму началу, любая физическая система, не обменивающаяся энергией с другими системами, стремится к наиболее вероятному равновесному состоянию — к так называемому состоянию с максимумом энтропии. Такое состояние соответствовало бы тепловой смерти Вселенной [6] . Ещё до создания современной космологии были сделаны многочисленные попытки опровергнуть вывод о тепловой смерти Вселенной. Наиболее известна из них флуктуационная гипотеза Л. Больцмана (1872 год), 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.

Критика

Один из аргументов против гипотезы «тепловой смерти Вселенной» [K 1] основан на представлении о бесконечности Вселенной, так что законы термодинамики, базирующиеся на изучении объектов конечных размеров, ко Вселенной не применимы в принципе. М. Планк по этому поводу заметил: «Едва ли вообще есть смысл говорить об энергии или энтропии мира, ибо такие величины не поддаются точному определению» [8] .

Возражения против гипотезы «тепловой смерти Вселенной» со стороны статистической физики сводятся к тому, что абсолютно запрещаемые вторым началом процессы со статистической точки зрения просто маловероятны. Для обычных макросистем и статистические, и феноменологические законы ведут к одним и тем же выводам. Однако для систем с малым числом частиц или для бесконечно большой системы, или для бесконечно большого времени наблюдения самопроизвольные процессы, нарушающие второе начало термодинамики, становятся допустимыми [9] . Кроме того в закрытых и изолированных системах (содержащих подсистемы), объединенных общим правилом неубывания энтропии, все же возможны устойчивые неравновесные стационарные состояния. При этом такие состояния возможно индуцировать в системе уже находящейся в термодинамическом равновесии. Такая система будет иметь максимальную энтропию, а производство энтропии будет равно нулю, что не противоречит второму началу. В теории такие состояния могут длиться бесконечно [10] [11] .

В современной космологии учёт гравитации приводит к выводу о том, что однородное изотермическое распределение вещества во Вселенной не является наиболее вероятным и не соответствует максимуму энтропии.

Наблюдения подтверждают теорию А. А. Фридмана, согласно которой Метагалактика (астрономическая Вселенная) нестационарна: в настоящее время она расширяется, а вещество под действием силы тяготения конденсируется в отдельные объекты, образуя скопления галактик, галактики, звёзды, планеты. Все эти процессы естественны, идут с ростом энтропии и для своего объяснения не требуют модификации законов термодинамики [12] ; даже сама постановка вопроса о «тепловой смерти Вселенной» представляется неправомерной [13] .

Сколь ни сомнительным может казаться с современной точки зрения вывод Клаузиуса о «тепловой смерти» Вселенной, именно этот вывод послужил толчком к развитию теоретической мысли, которая в работах А. Эйнштейна, А. А Фридмана и Г. А. Гамова привела к ныне широко принятой релятивистско-термодинамической модели эволюции [14] [ неоднозначно ] .

Современное состояние Вселенной

На современном этапе существования (13,72 млрд лет) Вселенная излучает как абсолютно чёрное тело с температурой 2,725 К. Максимум спектра излучения приходится на частоту 160,4 ГГц (микроволновое излучение), что соответствует длине волны 1,9 мм. Оно изотропно с точностью до 0,001 %.

В культуре

Теме тепловой смерти Вселенной посвящён ряд научно-фантастических рассказов (например, рассказ «Последний вопрос» Айзека Азимова). Также данная тема легла в основу сюжета аниме «Mahou Shoujo Madoka Magica».

Во вселенной британского телесериала «Доктор Кто» именно это конечное состояние произошло через 100 триллионов лет (показано в эпизоде «Утопия») [15] после Большого взрыва, через который образовалась вселенная.

В эпизоде The Late Philip J. Fry мультсериала «Футурама» герои воочию наблюдали тепловую смерть текущей и последующее рождение новой, практически полностью идентичной вселенной. Новая вселенная оказалась сдвинута на 1 метр относительно прежней.

См. также

Комментарии

Термодинамика не даёт оснований для предположения, что вселенная гибнет. Выигрыш энтропии всегда означает проигрыш в осведомленности и ничего больше.

Источник

Возможна ли смерть Вселенной?

Существует много различных гипотез и теорий, которые предсказывают будущее Вселенной. Одни утверждают, что Вселенная имеет начало и будет иметь конец, другие, что Вселенная будет существовать вечно. Как бы то ни было, в сегодняшней статье мы рассмотрим наиболее вероятные сценарии будущего Вселенной.

Вселенная вечна?

Прежде считалось, что Вселенная может существовать вечно: она просто была, есть и будет. Но модели, разработанные на основе уравнений Эйнштейна, показали, что Вселенная не должна быть статичной (неизменной), она может эволюционировать. В 1920-х годах бельгийский священник и астроном Жорж Леметр разработал концепцию Большого взрыва. В сочетании с наблюдениями Эдвина Хаббла о расширяющейся Вселенной, астрономы пришли к мнению, что у Вселенной было начало, а значит, может быть конец.

И только в 1960-х годах, наблюдения при помощи мощных телескопов подтвердили Большой Взрыв. Тогда радиоастрономами Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном было обнаружено космическое микроволновое фоновое излучение. Также стало понятно, что активные галактики преимущественно наблюдаются в очень далёкой части Вселенной, а, следовательно, они существовали очень давно, когда Вселенная была значительно моложе, чем сегодня, а значит Вселенная эволюционирует и не может быть вечной и неизменной.

Может ли Вселенная сжаться?

Что будет в будущем со Вселенной в большей степени определяется её геометрией, а точнее, кривизной пространства на масштабах всей Вселенной. Определить кривизну Вселенной нам поможет обычная геометрия, нам просто нужно посчитать сумму углов в треугольнике, но поскольку кривизна является очень маленькой, то треугольник должен быть огромным. Мы можем построить треугольник, с размером во всю видимою Вселенною, где вершинами будут служить далёкие галактики.

Если сумма углов этого треугольника будет больше 180 градусов, то геометрия Вселенной замкнутая и она подобна сфере. В замкнутом Вселенной сила притяжения остановит расширение и Вселенная начнёт сжиматься, пока вся материя не колапсует в сингулярность. Такая теория называется Теория Большого сжатия.

Теорию Большого сжатия можно рассматривать как теорию Большого взрыва, только наоборот.

Но последние исследования предполагают существование тёмной энергии, которая имеет свойства антигравитации, а значит есть вероятность, что силы притяжения не хватит, чтобы преодолеть антигравитацию, поэтому расширение будет продолжаться вечно.

Тепловая смерть Вселенной?

Но существует и другой сценарий конца Вселенной, это тепловая смерть Вселенной. Если сумма углов треугольника есть меньше или равна 180 градусам, то геометрия Вселенной соответственно является гиперболической или евклидовой соответственно. В первом случае Вселенную называют открытой, а в другом — плоской. В обоих случаях Вселенную ждёт вечное расширение, а следовательно, тепловая смерть.

По этой теории Вселенная рассматривается как замкнутая термодинамическая система, так как она не обменивается энергией с другими системами, ведь не существует других Вселенных вне нашей. Согласно второму закону термодинамики, замкнутая система всегда стремится к равновесному состоянию то есть к состоянию с максимумом энтропии. Таким образом, все процессы, происходящие во Вселенной, должны рано или поздно прекратиться, а все частицы будут разнесены на бесконечное расстояние друг от друга и не смогут взаимодействовать.

Хотя эта теория является сомнительной, поскольку мы неуверены в вечном расширении Вселенной, а также есть сомнения в том, что наша Вселенная единственная и является замкнутой системой. Также некоторые учёные считают, что второй закон термодинамики неточен.

Большой разрыв

Один из самых страшных сценариев конца Вселенной является Большой разрыв. При таком сценарии конец Вселенной наступит приблизительно через 22 млрд лет.

С увеличением скорости расширения Вселенной сфера Хаббла (часть Вселенной, отдаляющаяся от нас с досветовой скоростью) будет сжиматься, а значит всё более и более близкие к нам объекты будут удаляться от нас со скоростью света. Таким образом, за 60 млн лет до Большого разрыва распадутся галактики, за 3 месяца до Большого разрыва, сфера Хаббла будет размером с Солнечную систему, за 30 минут до Большого разрыва — с Землю, а за одну наносекунду до Большого разрыва будут разорваны все атомы. Что произойдёт в момент самого Большого разрыва нам неизвестно, но считается, что все известные законы физики перестанут работать, а пространство и время просто потеряют свой смысл. Хотя существуют гипотезы о том, что после этого на месте нашей Вселенной могут рождаться новые вселенные.

На данный момент учёные точно не могут сказать которая из выше упомянутых теорий является верной, ведь нам не известно, как поведёт себя тёмная энергия в будущем, а также многие параметры Вселенной, но последние исследования указывают на то, что Вселенная закончит свою жизнь в результате Большого разрыва.

Автор: Алексей Нимчук. Редакция: Фёдор Карасенко.

Ставьте палец вверх, чтобы видеть в своей ленте больше статей о космосе и науке!

Также сегодня хочу порекомендовать вам канал моего коллеги Вестник Галактики . Канал о космосе, физике и высоких технологиях: сложные вещи простыми словами, последние новости и интересные факты из мира науки.

Источник

Второе начало термодинамики: вечный двигатель второго рода и тепловая смерть Вселенной

• 12 Январь 2021
• 14 минут
• 12 813

Пришла пора разобраться со вторым фундаментальным постулатом термодинамики, который именуется второе начало термодинамики. Второе начало не является доказуемым в рамках классической термодинамики. Его формулировки – результат обобщения опытов, наблюдений и экспериментов. Попытаемся рассказать о нем кратко и понятно.

В прошлой статье по термодинамике мы говорили о термодинамических системах, состоящих из большого числа частиц. Для описания подобных систем используются так называемые функции состояния.

Термодинамическая функция состояния (или термодинамический потенциал) – это функция, зависящая от нескольких независимых параметров, определяющих состояние системы. Чтобы было понятнее, приведем пример. Одна из функций состояния системы – это ее внутренняя энергия. Она не зависит от того, как именно система оказалось в данном состоянии

Энтропия

Еще одно понятие, с которым нужно познакомиться – это энтропия. Для понимания второго начала термодинамики энтропия очень важна. А еще это красивое слово, которое многих ставит в ступор и которым можно блеснуть в компании.

В самом общем случае, энтропия – мера хаотичности некоторой системы

Энтропия

Простой пример : представим, что у вас есть ящик с носками. Если все носки в ящике разбросаны и валяются вперемешку и по одному, энтропия такой системы максимальна. А если носки собраны по парам и лежат аккуратненько в рядок — минимальна.

В термодинамике, энтропия – это функция состояния термодинамической системы, которая определяет меру необратимого рассеивания энергии. Что это значит? Это значит, что какая-то часть внутренней энергии системы не может перейти в совершаемую системой механическую работу. Например, процесс преобразования теплоты в механическую работу всегда сопровождается потерями, в результате которых теплота трансформируется в другие виды энергии.

Энтропия при необратимых термодинамических процессах увеличивается, а при обратимых – остается постоянной. Математическая запись энтропии (S):

Здесь дельта Q – количество теплоты, подведенное или отведенное от системы, T – температура системы, dS – изменение энтропии.

Существует несколько различных формулировок второго начала термодинамики, и вот одна из них:

Энтропия замкнутой системы возрастает при любых необратимых процессах в этой системе

Так как нас интересует именно понимание сути вещей, приведем еще одно самое простое определение:

Невозможен процесс, единственным результатом которого является передача энергии в форме теплоты от холодного тела к горячему

К слову, данная формулировка второго начала термодинамики принадлежит Рудольфу Клаузиусу, который и ввел в обиход понятие энтропии.

Невозможен процесс, единственным результатом которого является передача энергии в форме теплоты от холодного тела к горячему

И снова вечный двигатель

После разочарования с идеей вечного двигателя первого рода люди и не думали сдаваться. Через какое-то время был придуман вечный двигатель второго рода, работа которого основывалась на передаче тепла и не перечила закону сохранения энергии. Такой двигатель преобразует все тепло, полученное от окружающих тел, в работу. Например, в качестве его реализации предполагалось путем охлаждения океана получить огромное количество теплоты. Но к счастью до охлаждения океана и заморозки рыб дело не дошло, т.к. данная идея противоречит второму началу динамики. КПД любой машины не может быть равен единице, также как тепло не может быть преобразовано в работу полностью. Так что сколько ни старайтесь, а вечный двигатель второго рода создать невозможно, так же как и вечный двигатель первого рода.

Тепловая смерть Вселенной

После введения Рудольфом Клаузиусом понятия энтропии в 1865 году возникло множество споров, домыслов и теорий, связанных с этим понятием. Одна из них – гипотеза о тепловой смерти Вселенной, сформулированная самим Клаузиусом на основе второго начала термодинамики.

Рудольф Клаузиус (1822-1888)

Данная теория, сформулированная Клаузиусом, гласит, что Вселенная, как любая замкнутая система, стремится к состоянию термодинамического равновесия, характеризующемуся максимальной энтропией и полным отсутствием макроскопических процессов, что в свою очередь обессмысливает привычное нам понятие времени. По Клаузиусу: «Энергия мира остается постоянной. Энтропия мира стремиться к максимуму». Это означает, что когда Вселенная придет в состояние термодинамического равновесия, все процессы прекратятся и мир погрузиться в состояние «тепловой смерти». Температура в любой точке Вселенной будет одной и той же, более не будет каких-либо причин, способных вызвать возникновение каких бы то ни было процессов.

Концепция тепловой смерти вселенной еще в недалеком прошлом была довольно широко распространена и являлась предметом активных дискуссий. Так, в книге Джинса «Universe around us» (1932г.) можно найти следующие строки касательно тепловой смерти Вселенной: «Вселенная не может существовать вечно; рано или поздно должно наступить время, когда ее последний эрг энергии достигнет наивысшей степени на лестнице падающей полезности, и в этот момент активная жизнь Вселенной должна будет прекратиться».

Где-то во Вселенной

При выводе своей теории Клаузиус прибегал в своих рассуждениях к следующим экстраполяциям (приближениям):

1. Вселенная рассматривается как замкнутая система.
2. Эволюция мира может быть описана как смена его состояний.

Интересный факт : рассуждения о тепловой смерти позволили церкви заявить, что с научной точки зрения (в том числе и благодаря теории Клаузиуса) можно найти предпосылки, указывающие на существование бога. Так, в 1952 году на заседании «папской академии наук» папа Пий 12-й в своей речи сказал: «Закон энтропии, открытый Рудольфом Клаузиусом, дал нам уверенность, что спонтанные природные процессы всегда связаны с некоторой потерей свободной, могущей быть использованной энергии, откуда следует, что в замкнутой материальной системе в конце концов эти процессы в макроскопическом масштабе когда-то прекратятся. Эта печальная необходимость. красноречиво свидетельствует о существовании Необходимого Существа».

Опровержение теории тепловой смерти Вселенной

Как уже отмечалось выше Клаузиусом, при выводе его теории применялись определенные экстраполяции. Сегодня несмотря на некоторые сложности можно с уверенностью сказать, что подобные выводы являются антинаучными. Дело в том, что существуют определенные границы применимости второго начала термодинамики: нижняя и верхняя. Так, второе начало термодинамики не может быть применено для описания микросистем, размеры которых сравнимы с размерами молекул, и для макросистем, состоящих из бесконечного числа частиц, т.е. для Вселенной в целом.

Второе начало термодинамики не применимо ко Вселенной как замкнутой системе

Собственно первым ученым, установившим статистическую природу второго начала термодинамики и противопоставившим теории тепловой смерти Вселенной так называемую флуктуационную гипотезу, был выдающийся физик-материалист Больцман. Имеет место формула Больцмана, позволяющая дать статистическое истолкование второму началу термодинамики

Здесь S – энтропия системы, k – постоянная Больцмана, P – термодинамическая вероятность состояния, определяющая число микросостояний системы, соответствующих данному макросостоянию. Согласно формуле Больцмана,

То есть термодинамическая вероятность состояния изолированной системы при всех происходящих в ней процессах не может убывать. Однако т.к. для систем, состоящих из бесконечного числа частиц, все состояния будут равновероятными , вышеописанное соотношение неприменимо ко Вселенной. В подобных системах имеют место значительные флуктуации (флуктуация – отклонение истинного значения некоторой величины от ее среднего значения), представляющие собой отклонения от второго начала термодинамики. Согласно Больцману, состояние термодинамического равновесия представляет собой лишь наиболее часто встречающееся и наиболее вероятное; наряду с этим в равновесной системе могут самопроизвольно возникнуть сколь угодно большие флуктуации. То есть во Вселенной, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, постоянно возникают флуктуации, причем одной такой флуктуацией является та область пространства, в которой находимся мы.

Людвиг Больцман (1844-1906)

Современный подход безусловно отвергает теорию тепловой смерти Вселенной. Учитывая огромный возраст Вселенной и тот факт, что она не находится в состояние тепловой смерти, можно сделать вывод о том, что во Вселенной протекают процессы, препятствующие росту энтропии, т.е. процессы с отрицательной энтропией. Однако выводам Больцмана о том, что во Вселенной преобладает состояние термодинамического равновесия, все более противоречит растущий экспериментальный материал астрономии. Материя обладает никогда не утрачиваемой способностью к концентрации энергии и превращения одних форм движения в другие. Так, например, процесс образования из рассеянной материи звезд подчиняется определенным закономерностям и не может быть сведен исключительно к случайным флуктуациям распределения энергии во Вселенной.

Дорогие друзья! Сегодня мы по возможности выяснили, какой смысл имеет понятие энтропии для второго начала термодинамики, узнали, что вечный двигатель второго рода невозможен, а также порадовались, что тепловой смерти Вселенной все-таки не случится. Мы как всегда надеемся на то, что вам понравилась наша статья, в которой мы старались рассказать о термодинамике просто, понятно и интересно. Желаем успехов в учебе и напоминаем – подсказать, помочь, проконсультировать и взять часть нагрузки на себя всегда готовы наши специалисты. Учитесь и живите в свое удовольствие!

Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.

Источник