Теплова́я смерть Вселе́нной , также Большо́е замерза́ние — 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» (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» . Если космологическая константа положительна, на что указывают последние наблюдения, Вселенная в конечном счёте приблизится к состоянию максимальной энтропии .

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 . 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 . 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» 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» .

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 . Кроме того в закрытых и изолированных системах (содержащих подсистемы), объединённых общим правилом неубывания энтропии, всё 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 .

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 ; даже сама постановка вопроса о «тепловой смерти Вселенной» представляется неправомерной .

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 ^{[ 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 ») 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, полностью идентичной вселенной, а после и её тепловую смерть и рождение уже следующей. Эта новая вселенная оказалась сдвинута на 1 метр относительно прежней.

См. также

• Второе начало термодинамики
• Закон неубывания энтропии
• Большое сжатие
• Большой разрыв
• Энтропия Вселенной
• Расширение Вселенной
• Временная шкала далёкого будущего

Примечания

Комментарии

Источники

Литература

• Алексеев Г. Н. Энергия и энтропия. — М. : Знание, 1978. — 192 с. — (Жизнь замечательных идей).
• Базаров И. П. Термодинамика. — 5-е изд. — СПб.—М.—Краснодар: Лань, 2010. — 384 с. — (Учебники для вузов. Специальная литература). — ISBN 978-5-8114-1003-3 .
• Базаров И. П. Заблуждения и ошибки в термодинамике. — М.: УРСС, 2003. — 120 с. — ISBN 5-354-00391-1 .
• Большая Советская Энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская Энциклопедия, 1976. — Т. 25: Струнино — Тихорецк. — 600 с.
• Бродянский В. М. . — М. : Энергоатомиздат, 1989. — 256 с. — ( Научно-популярная библиотека школьника ). — ISBN 5-283-00058-3 .
• Второе начало термодинамики: Сади Карно — В. Томсон-Кельвин — Р. Клаузиус — Л. Больцман — М. Смолуховский / Под. ред. и с пред. А. К. Тимирязева. — М. — Л. : Гостехиздат, 1934. — 311 с.
• Герасимов Я. И., Древинг В. П., Еремин Е. Н. и др. Курс физической химии / Под общ. ред. Я. И. Герасимова. — 2-е изд. — М. : Химия, 1970. — Т. I. — 592 с.
• Жуковский В. С. Техническая термодинамика . — 2-е изд., перераб. — Л.—М.: Гостехиздат , 1940. — 336 с.
• Поляченок О. Г., Поляченок Л. Д. Физическая и коллоидная химия. — Могилев: Могилев. гос. ун-т продовольствия, 2008. — 196 с.

Ссылки

• И.Л. Генкин. (неопр.) . Астронет (2 марта 1994). Дата обращения: 7 февраля 2014. 22 октября 2008 года.
• (неопр.) . Номер 3. Тепловая смерть вселенной (29 августа 2010). Дата обращения: 12 августа 2013. 13 августа 2013 года.