У дома › деца › Топлинна смърт на Вселената. Изправени ли сме пред топлинната смърт на Вселената? Ерата на черните дупки

Топлинна смърт на Вселената. Изправени ли сме пред топлинната смърт на Вселената? Ерата на черните дупки

Опит за разширяване на законите на термодинамиката към Вселената като цяло е направен от Р. Клаузиускоито излагат следните постулати.

- Енергията на Вселената винаги е постоянна, т.е. Вселената е затворена система.

- Ентропията на Вселената винаги нараства.

Ако приемем втория постулат, тогава трябва да признаем, че всички процеси във Вселената са насочени към постигане на състояние на термодинамично равновесие, характеризиращо се с максимална ентропия, което означава най-голяма степен на хаос, дезорганизация, енергийно балансиране. В този случай Вселената ще топлинна смърт и в него няма да се произвежда полезна работа, никакви нови процеси или образувания (няма да светят звезди, ще се образуват нови звезди и планети, ще спре еволюцията на Вселената).

Много учени не бяха съгласни с тази мрачна перспектива, предполагайки, че наред с ентропийните процеси във Вселената трябва да протичат и антиентропийни процеси, които предотвратяват топлинната смърт на Вселената.

Сред тези учени е Л. Болцман, който предполага, че за малък брой частици вторият закон на термодинамиката не трябва да се прилага , тъй като в този случай не може да се говори за състояние на равновесие на системата. В същото време нашата част от Вселената трябва да се разглежда като малка част от безкрайната Вселена. И за такава малка площ са допустими малки флуктуационни (случайни) отклонения от общото равновесие, поради което необратимата еволюция на нашата част от Вселената към хаос като цяло изчезва. Във Вселената има относително малки области от порядъка на нашата звездна система, които се отклоняват значително от топлинното равновесие за относително кратки периоди от време. В тези области се извършва еволюция, тоест развитие, усъвършенстване, нарушаване на симетрията.

В средата на двадесети век се появи нова неравновесна термодинамика, или термодинамика на отворени системи , или синергия където мястото на затворена изолирана система беше заето от фундаменталната концепция за отворена система. Основателите на тази нова наука бяха И.Р.Пригожин(1917-2004) и Г. Хакен (1927).

отворена система- система, която обменя материя, енергия или информация с околната среда.

Отворената система също произвежда ентропия, като затворената, но за разлика от затворената, тази ентропия не се натрупва в отворена система, а се освобождава в околната среда. Използваната отпадъчна енергия (енергия с по-ниско качество - топлинна при ниска температура) се разсейва в околната среда и вместо нея се извлича нова енергия от околната среда (с високо качество, способна да преминава от една форма в друга), способна да произвежда полезни работа.

Възникнали за тези цели материалните структури, способни да разсейват използваната енергия и да абсорбират свежа енергия, се наричат дисипативни . В резултат на това взаимодействие системата извлича ред от околната среда, като същевременно внася безпорядък в тази среда. С пристигането на нова енергия, материя или информация, неравновесието в системата се увеличава. Разрушава се предишната връзка между елементите на системата, определяща нейната структура. Между елементите на системата възникват нови връзки, водещи до кооперативни процеси, тоест до колективно поведение на елементите. Ето как могат да се опишат схематично процесите на самоорганизация в отворените системи.

Пример за такава система е лазерна работа , който произвежда мощно оптично лъчение. Хаотичните осцилаторни движения на частици от такова излъчване, дължащи се на получаването на определена част от енергията отвън, произвеждат координирани движения. Радиационните частици започват да трептят в една и съща фаза, в резултат на което мощността на лазерното лъчение се увеличава многократно, несъизмеримо с количеството изпомпвана енергия.

Изучавайки процесите, протичащи в лазера, немският физик Г. Хакен (р.1927) назовава ново направление синергетика, което на старогръцки означава “съвместно действие”, “взаимодействие”.

Друг известен пример за самоорганизация са химичните реакции, изследвани от И. Пригожин. Самоорганизацията в тези реакции е свързана с навлизането в системата отвън на вещества, които осигуряват тези реакции (реагенти), от една страна, и отстраняването на реакционните продукти в околната среда, от друга страна. Външно такава самоорганизация може да се прояви под формата на периодично появяващи се концентрични вълни или в периодична промяна на цвета на реагиращия разтвор. Подобна химическа реакция е получена и изследвана от известния белгийски химик от руски произход И.Р.Пригожин. Пригожин кръщава своята химическа реакция "Brusselator" в чест на град Брюксел, където Пригожин е живял и работил и където тази реакция е била проведена за първи път.

Ето как самият Пригожин пише за това: „Да предположим, че имаме два вида молекули: „червени“ и „сини“. Поради хаотичното движение на молекулите може да се очаква, че в даден момент от лявата страна на съда ще има повече „червени” молекули, а в следващия момент ще има повече „сини” молекули и т.н. Цветът на сместа е труден за описване: лилав с произволни преходи към синьо и червено. Ще видим различна картина, когато погледнем химическия часовник: цялата реакционна смес ще има син цвят, след това цветът й рязко ще се промени в червено, след това отново в синьо и т.н. Промяната на цвета се извършва на редовни интервали. За да променят цвета си едновременно, молекулите трябва по някакъв начин да поддържат връзка помежду си. Системата трябва да се държи като едно цяло” (Пригожин И., Стенгерс И. Ред от хаоса. М., 1986. С.202-203).

Разбира се, няма и не може да има "сговор" между молекулите в буквалния смисъл на думата. Факт е, че в определен момент всички молекули започнаха да вибрират в една фаза - синя, а след това цялата смес придоби син цвят. След определен период от време молекулите започнаха да вибрират в друга фаза - червената фаза, след което цялата смес се зачерви и т.н., докато действието на реагента приключи.

Да вземем друг пример. Ако вземем прозрачен цирков барабан със сини и червени топки и започнем да го въртим на определена честота - честотата на червеното, тогава ние, както в случая с молекулите, ще открием, че всички топки са станали червени. Ако променим скоростта на барабана до съответната синя дължина на вълната, ще видим, че топките стават сини и т.н.

Най-показателният пример за самоорганизация е Клетки на Бенард . Това са малки шестоъгълни структури, които могат например да се образуват в слой масло върху тиган с подходяща температурна разлика. Веднага след като температурният режим се промени, клетките се разпадат.

По този начин, за да може спонтанно да се изгради нова структура, е необходимо да се зададат подходящи параметри на средата.

Контролни параметри- това са параметрите на околната среда, които създават граничните условия, в които съществува тази отворена система (това може да бъде температурен режим, съответната концентрация на вещества, честота на въртене и др.).

Опции за поръчка- това е "отговорът" на системата на промяна в контролните параметри (преструктуриране на системата).

Очевидно е, че процесът на самоорганизация не може да започне в нито една система и при никакви условия. Нека разгледаме условията, при които може да започне процесът на самоорганизация.

Необходими условия за възникване на самоорганизацияв различни системи са както следва:

1. Системата трябва да бъде отворен , защото една затворена система в крайна сметка трябва да стигне до състояние на максимален безпорядък, хаос, дезорганизация в съответствие с 2-рия закон на термодинамиката;

2. Отворете системата трябва да е достатъчно далеч от точката на термодинамично равновесие . Ако системата вече е близо до тази точка, тогава тя неизбежно ще се приближи до нея и в крайна сметка ще стигне до състояние на пълен хаос и дезорганизация. Защото точката на термодинамично равновесие е силен атрактор;

3. Основният принцип на самоорганизацията е " възникване на ред чрез колебания" (И.Пригожин). флуктуации или случайни отклонения на системата от някаква средна позиция в началото се потискат и елиминират от системата. Но в отворените системи, поради засилване на неравновесието, тези отклонения се увеличават с времето, засилват се и в крайна сметка водят до „разхлабване“ на предишния ред, до системен хаос. В състояние на нестабилност, нестабилност, системата ще бъде особено чувствителна към началните условия, чувствителна към колебания. В този момент някакво колебание преминава от макро ниво на системата към нейното микро ниво и избира по-нататъшния път на развитие на системата, нейното по-нататъшно преструктуриране. По принцип е невъзможно да се предвиди как ще се държи една система в състояние на нестабилност, какъв избор ще бъде направен спрямо нея. Този процес се характеризира като принципа на "появата на ред чрез колебания". Флуктуациите са случайни. Следователно става ясно, че появата на нещо ново в света е свързана с действието на случайни фактори.

Например тоталитарното общество в Съветския съюз беше солидна социална структура. Въпреки това информацията, идваща от чужбина за живота на други общества, търговията (обмен на стоки) и т.н. започват да предизвикват отклонения в тоталитарното общество под формата на свободомислие, недоволство, несъгласие и др. Първоначално структурата на тоталитарното общество можеше да потисне тези колебания, но те ставаха все повече и силата им нарастваше, което доведе до разхлабване и рухване на старата тоталитарна структура и замяната й с нова.

И още един комичен пример: Приказката за ряпата. Дядо засади ряпа. Голяма ряпа е пораснала. Време е да я измъкнем от земята. Дядо влачи и влачи ряпата, но не може да я извади. Нашата ряпа система все още е твърде стабилна. Дядото извикал бабата на помощ. Влачили, влачили ряпата заедно, но не могли да я извадят. Флуктуациите, които разхлабват ряпата, стават все по-силни, но все още не са достатъчни, за да разрушат системата (ряпата). Повикаха внучката си, но и те не извадиха ряпата. После нарекоха кучето Буболечка и накрая извикаха мишката. Изглежда, че мишката може да положи усилия, но това беше „последната капка“, която доведе до качествено нова промяна в системата - нейният колапс (ряпата беше извадена от земята). Мишката може да се нарече непредвидим инцидент, изиграл решаваща роля, или „малка причина за големи събития“;

4. Възникването на самоорганизация се основава на положителна обратна връзка . Съгласно принципа на положителната обратна връзка, промените, които се появяват в системата, не се елиминират, а се засилват, натрупват, което в крайна сметка води до дестабилизация, разхлабване на старата структура и замяната й с нова;

5. Съпътстват се процесите на самоорганизация нарушаване на симетрията . Симетрията означава стабилност, неизменност. Самоорганизацията, от друга страна, предполага асиметрия, тоест развитие, еволюция;

6. Самоорганизацията може да започне само в големи системи, които имат достатъчен брой елементи, взаимодействащи помежду си (10 10 -10 14 елемента), т.е. в системи, които имат някои критични параметри . За всяка конкретна самоорганизираща се система тези критични параметри са различни.

Лекция номер 14. Основни понятия на синергетиката. Способност за управление на синергични системи.

Експлозивните, катастрофални процеси са известни на човечеството отдавна. Да кажем, че човек, пътуващ в планината, знае въз основа на своя емпиричен опит, че планинската лавина може да се срути внезапно, едва ли не от полъх на вятър или неуспешна стъпка.

Революциите и катаклизмите често бяха резултат от последната капка народно недоволство, последното случайно събитие, което надви везните. Това бяха типични малки причини за големи събития.

Всеки от нас може да си спомни определени ситуации на избор, които са се изпречили на пътя на живота, а в решаващи моменти от живота пред нас са се отворили няколко възможности. Всички ние сме включени в механизмите, където в критичен момент, момент на поврат, решителен избор определя случайно събитие. И така, лавинообразни процеси, социални катаклизми и катаклизми, критични ситуации на избор в жизнения път на всеки човек ... Възможно ли е да се направи една-единствена научна основа за всички тези на пръв поглед различни факти? През последните 30 години е положена основата на такъв универсален научен модел, който се нарича синергия.

Както видяхме, синергетиката се основава на идеи систематичен, холистичен подход на света нелинейност (т.е. много вариации), необратимост , Дълбок връзка между хаос и ред . Синергетиката ни дава образ сложен свят , което не е станало, но ставайки не просто съществуващ, но непрекъснато възникващи . Този свят се развива нелинейни закони , пълно е неочаквано , непредсказуем завои, свързани с избора на по-нататъшен път на развитие.

Предмет на синергетикатаса механизми за самоорганизация . Това са механизми за формиране и разрушаване на структури, механизми, които осигуряват прехода от хаос към ред и обратно. Тези механизми не зависят от специфичния характер на елементите на системата. Те са присъщи на неживия свят и природата, човека и обществото. Следователно синергетиката се счита за интердисциплинарна област на научните изследвания.

Синергетиката, както всяка друга наука, има свой собствен език, своя система от понятия. Това са понятия като „атрактор“, „бифуркация“, „фрактален обект“, „детерминиран хаос“ и други. Тези понятия трябва да станат достъпни за всеки образован човек, още повече, че могат да намерят съответни аналози в науката и културата.

Основните понятия на синергетиката са понятията "хаос" и "ред".

Поръчка- това е съвкупност от елементи от всякакво естество, между които има устойчиви (редовни) връзки, които се повтарят в пространството и времето. Например формацията на войници, маршируващи на парад.

Хаос- набор от елементи, между които няма устойчиви повтарящи се връзки. Например тълпа от хора, тичащи в паника.

Концепцията за "привличащ"близо до концепцията цели. Това понятие може да се разкрие като целенасоченост, като посока на поведение на системата, като нейно стабилно относително крайно състояние. В синергия атракторът се разбира като относително стабилно състояние на системата, което, така да се каже, привлича разнообразието от траектории на системата определени от различни начални условия. Ако системата попадне в атракторния конус, тогава тя неизбежно еволюира до това относително стабилно състояние. Например, независимо от първоначалната позиция на топката, тя ще се търкулне до дъното на ямата. Състоянието на покой на топката на дъното на ямата е атракторът на движението на топката.

Атракториподразделени на просто и странно .

Прост атрактор(атрактор) е граничното състояние на поръчката. Системата изгражда ред и го подобрява не до безкрайност, а до ниво, определено от прост атрактор.

странен атракторе граничното състояние на системната хаотизация. Системата е хаотична, също се разпада, но не до безкрайност, а до ниво, определено от странен атрактор.

концепция раздвоение в превод от английски означава вилица с две зъбци - befork. Те обикновено говорят не за самата бифуркация, а за бифуркационни точки . Синергичен смисъл бифуркационни точки е - това е разклонителната точка на възможните еволюционни пътища на системата .Преминавайки през точките на разклонение, перфектният избор затваря други пътища и така прави еволюционния процес необратим. .

Нелинейна системаможе да се определи като система, съдържаща бифуркации.

Много важно за синергията е нелинейност . Под нелинейност разбирам:

1. Възможност за избор на начина на развитие на системата (разбира се, че системата има не един път на развитие, а няколко);

2. Несъизмеримостта на нашето въздействие върху системата и получения резултат в нея. Според поговорката „мишка планина ще роди“.

Това, което в синергията се нарича „раздвоение ” има дълбоки аналози в културата. Когато един приказен рицар стои, замислен крайпътен камък на разклонение и изборът на пътя ще определи бъдещата му съдба, тогава това е по същество визуално-фигуративно представяне на раздвоение в живота на човека. Еволюцията на биологичните видове, представена като еволюционно дърво , ясно илюстрира разклонените пътища на еволюцията на живата природа.

> Топлинна смърт

Разгледайте хипотезата за топлинна смърт на Вселената.Прочетете концепцията и теорията за топлинната смърт, ролята на ентропията на Вселената, термодинамичното равновесие, температурата.

Ентропията на Вселената непрекъснато нараства. Целта му е термодинамично равновесие, което ще доведе до топлинна смърт.

Учебна задача

Помислете за процесите, водещи до проблема с топлинната смърт на Вселената.

Ключови точки

В ранната вселена цялата материя и енергия са били лесно взаимозаменяеми и идентични по природа.
С нарастването на ентропията все по-малко енергия отваряше работа.
Вселената се стреми към термодинамично равновесие – максимална ентропия. Това е топлинна смърт и край на дейността на всичко.

Условия

Астероидът е естествено твърдо тяло, по-малко по размер от планета и не действа като комета.
Ентропията е мярка за разпределението на еднаква енергия в дадена система.
Геотермална - отнася се до топлинна енергия, идваща от дълбоки земни резервоари.

В ранната вселена материята и енергията са били идентични по природа и са били лесно взаимозаменяеми. Разбира се, гравитацията играеше основна роля в много процеси. Изглеждаше непостоянно, но цялата енергия на бъдещата вселена се предлагаше за работа.

Пространството се разви и се появиха температурни разлики, които създават повече възможности за работа. Звездите превъзхождат планетите по нагряване, които изпреварват астероидите, а те са по-топли от вакуума. Много от тях се охлаждат поради силна намеса (ядрен взрив близо до звездите, вулканична дейност близо до Земята и др.). Ако не получите допълнителна енергия, тогава дните им са преброени. По-долу има карта на Вселената.

Това е много млада Вселена с колебания в температурата (подчертани в цветове), съответстващи на зърната, превърнали се в галактики

Колкото по-висока е ентропията, толкова по-малко енергия отива в работата. Земята има големи енергийни запаси (изкопаеми и ядрени горива), огромни температурни разлики (вятърна енергия), геотермална енергия поради разликата в температурните марки на земните слоеве и приливна енергия на водата. Но част от тяхната енергия никога няма да отиде на работа. В резултат на това всички видове гориво ще бъдат изчерпани и температурите ще се изравнят.

Вселената се възприема като затворена система, така че пространствената ентропия винаги нараства, а количеството енергия, налично за работа, намалява. В крайна сметка, когато всички звезди експлодират, всички форми на потенциална енергия се изразходват и температурите се изравняват, работата става просто невъзможна.

Нашата Вселена се стреми към термодинамично равновесие (максимална ентропия). Често този сценарий се нарича топлинна смърт - прекратяване на всяка дейност. Но пространството продължава да се разширява и краят е все още твърде далеч. С помощта на изчисления за черни дупки се оказа, че ентропията ще продължи още 10 100 години.

Вторият закон (началото) на термодинамиката казва, че вътрешната енергия на топлината (топлината) не може независимо да се прехвърля от по-малко нагрят обект към по-нагрят обект.

В резултат на втория закон на термодинамиката всяка физическа система, която не обменя енергия с други системи, се стреми към най-вероятното състояние на равновесие - към състоянието с най-висока ентропия (стойност, характеризираща степента на безпорядък и топлинно състояние на физическа система). Този закон е описан за първи път от Сади Карно през 1824 г. В резултат на това още през 1852 г. Уилям Келвин предлага хипотеза за бъдещата „топлинна смърт на Земята“ в хода на процеса на охлаждане на нашата планета до безжизнено състояние. През 1865 г. Рудолф Клаузиус разшири тази хипотеза за цялата вселена.

През 1872 г. австрийският физик Лудвиг Болцман се опитва да определи количествено ентропията, използвайки формулата S = k * ln W (където S е ентропията, k е константата на Болцман, W е броят на микросъстоянията, реализиращи макросъстоянието. Микросъстоянието е състояние на отделен компонент на системата и макросъстояние — състоянието на системата като цяло.

Още по-голямо доказателство за валидността на хипотезата беше откриването на топлинното излъчване на Вселената, възникнало по време на рекомбинацията (комбинацията на протони и електрони в атоми) на първичен водород, което се случи след 379 хиляди години. Процесът на рекомбинация протича при температури от 3 хиляди Келвина, докато текущата температура на космическото микровълново фоново лъчение, определена от неговия максимум, е само 2,7 Келвина. Изследването на CMB показа, че той е изотропен (равномерен) за всяка посока в небето на ниво от 99,999%.

Астрономическите наблюдения ви позволяват да изградите т.нар. диаграмата на Мадау, която показва зависимостта на скоростта на звездообразуване от .

Изучаването на статистиката на квазарите (ядрата на активните галактики) дава възможност да се оцени независимо скоростта на образуване на звезди. Изследването 2DF, проведено през 1997-2002 г. на австралийския телескоп AAT, изследва около 10 000 квазара в небесна зона от 1,5 хиляди квадратни градуса в районите на двата галактически полюса.

Друго доказателство за правилността на теорията за бъдещата „топлинна смърт на Вселената“ бяха изследванията на ядрената физика, които показаха, че енергията на свързване на нуклоните (протони и неутрони) в ядрото нараства, тъй като броят им в ядрото на повечето химичните елементи се увеличава.

Последствието от тази зависимост е, че реакциите на термоядрен синтез, включващи по-леки химични елементи (например водород и хелий), водят до освобождаване на много повече енергия във вътрешността на звездите, отколкото термоядрените реакции, включващи по-тежки химически елементи. В допълнение, теоретичните изследвания в края на 20-ти век предполагат, че те не са вечни, а постепенно се изпаряват под действието (хипотетичното излъчване на черните дупки, което се състои главно от фотони).

Аргументи срещу хипотезата за „топлинна смърт” на Вселената

Съмненията относно валидността на хипотезата за неизбежната „топлинна смърт на Вселената“ в бъдеще могат да бъдат разделени на няколко точки (вижте илюстрацията на теорията за Голямото разкъсване на Вселената).

Има несигурност при прогнозирането на бъдещи промени в обема на нашата вселена. Има както теорията за Голямото разкъсване на Вселената (ускорено разширяване на Вселената до безкрайност), така и теорията за Голямото свиване на Вселената (в бъдеще Вселената ще започне да се свива). Несигурността между тези опции е причинена от скорошни открития на мистериозна тъмна материя и енергия.

Съществува несигурност относно броя на съществуващите вселени и възможността за комуникация между тях. От една страна, фотометричният парадокс (парадоксът на Сецо-Олберс) на тъмното небе говори за ограничеността на размера и възрастта на нашата Вселена, както и за липсата на връзка с други вселени.

От друга страна, от принципа на посредствеността (принципа на Коперник) следва, че нашата Вселена не е уникална и трябва да има безкраен брой други Вселени с различен набор от физически константи. Освен това съвременната физика признава съществуването на пространствено-времеви тунели (червееви дупки) между различни вселени.

Когато едно обикновено вещество се охлажда (преминаването му в твърдо състояние), неговата ентропия не се увеличава, а по-скоро намалява:

Ключовите точки на теорията за „топлинната смърт“ на Вселената са възможността за разпадане на протони и съществуването на „лъчението на Хокинг“, но тези хипотетични явления все още не са доказани експериментално.

Съществува голяма несигурност относно влиянието на живота и интелекта върху динамиката на ентропията на Вселената. По въпроса за влиянието на неинтелигентните форми на живот върху ентропията на Вселената няма съмнение, че животът намалява ентропията. Като доказателство за това можем да цитираме фактите за по-сложната природа на живите организми в сравнение с всички неорганични химикали. Повърхността на нашата планета, дължаща се на биосферата, изглежда много по-разнообразна в сравнение с „мъртвата“ повърхност или . В допълнение, най-простите живи организми се наблюдават в дейността по обогатяване на земната атмосфера с кислород (биогенен кислород), както и генериране на богати минерални находища (биогенеза).

В същото време остава без отговор въпросът: интелигентният живот (т.е. човекът) увеличава или намалява ентропията на Вселената? От една страна, човешкият мозък е най-сложната форма, известна сред живите организми, както и фактът, че научно-техническият прогрес е позволил на хората да достигнат безпрецедентни висоти в познанието и дизайна, включително в синтеза на химични елементи и елементарни частици които не се срещат в природата. Съвременната човешка цивилизация е в състояние да предотврати големи природни бедствия (горски пожари, наводнения, масови епидемии и др.) и е на крачка от възможността да предотврати планетарни бедствия (падащи малки астероиди и комети).

От друга страна, човешката цивилизация се отличава и с „ентропийни” тенденции. Разрушителната сила на оръжейните арсенали нараства заедно с увеличаването на броя на опасните химически и ядрени индустрии, минната индустрия само за десетилетия е в състояние да опустоши минерални находища, натрупани на планетата в продължение на много стотици милиони години. Развитието на селското стопанство доведе до обезлесяването на голяма част от повърхността на нашата планета и също така допринася за деградацията и заплитането на почвата. Бракониерство, емисии на парникови газове (възможно подкисляване на океана) и др. бързо намаляват биоразнообразието на нашата планета, във връзка с което еколозите класифицират сегашното време като ново масово измиране. Освен това през последните десетилетия се наблюдава силен спад на раждаемостта в най-развитите страни, възможно е тази демографска ситуация да е резултат от непосилното усложняване на живота на човешката цивилизация.

Във връзка с всички тези тенденции, близкото бъдеще на човешката цивилизация представя огромен брой възможности: от епичната картина на космическата колонизация на цялата галактика, заедно с изграждането на сферите на Дайсън, възхода на изкуствения интелект и установяването на контакт с извънземни цивилизации, до връщане към вечното средновековие на планета с подкопани минерални и биологични ресурси. Парадоксът на Ферми (Голямото мълчание на Вселената) добавя още повече несигурност към въпроса за влиянието на живота и разума върху динамиката на ентропията на Вселената, тъй като има огромен диапазон за неговото обяснение: от огромната рядкост на биосферите и интелигентните цивилизации във Вселената до хипотезата, че нашата Земя е определен „резерват“ или „матрица“ в света на интелигентните свръхцивилизации.

Съвременната идея за "топлинната смърт" на Вселената

В момента физиците обмислят следната последователност от еволюция на Вселената в бъдеще, при условие на нейното по-нататъшно разширяване с настоящата скорост:

1-100 трилиона (1012) години - завършването на формирането на звездите във Вселената и изчезването дори на най-новите червени джуджета. След този момент във Вселената ще останат само останки от звезди: черни дупки, неутронни звезди и бели джуджета.
1 квадрилион (1015) години - всички планети ще напуснат своите орбити около звезди поради гравитационни смущения от близки прелитания на други звезди.
10-100 квинтилиона (1018) години - всички планети, кафяви джуджета и звездни остатъци ще напуснат своите галактики поради постоянни гравитационни смущения една от друга.
100 квинтилиона (1018) години - приблизителното време на падане на Земята в Слънцето поради излъчването на гравитационни вълни, ако Земята оцелее в етапа на червения гигант и остане в орбитата си.
2 анвигинтилиона (1066) години - приблизителното време за пълното изпаряване на черна дупка с масата на Слънцето.
17 септицилиона (10105) години е приблизителното време за пълното изпаряване на черна дупка с маса 10 трилиона слънчеви маси. Това е краят на ерата на черните дупки.

В бъдеще бъдещето на Вселената попада в два възможни варианта, в зависимост от това дали протонът е стабилна елементарна частица или не:

А) Протонът е нестабилна елементарна частица;
A1) 10 децилиона (1033) години - възможно най-малкият период на полуразпад на протон според експериментите на ядрените физици на Земята;
A2) 2 ундецилиона (1036) години - най-малкото възможно време за разпадане на всички протони във Вселената;
A3) 100 додецилиона (1039) години е най-дългият възможен период на полуразпад на протона, който следва от хипотезата, че Големият взрив се обяснява с инфлационни космологични теории и че разпадането на протона е причинено от същия процес, който е отговорен за преобладаването на бариони над антибариони в ранната Вселена;
A4) 30 тредецилиона (1041) години е максималното възможно време на разпад за всички бариони във Вселената. След това време трябва да започне ерата на черните дупки, тъй като те ще останат единствените съществуващи небесни обекти във Вселената;
A5) 17 седемнадесет милиарда (10105) години е приблизителното време за пълното изпаряване дори на най-масивните черни дупки. Това е времето на края на ерата на черните дупки и началото на ерата на вечната тъмнина, в която всички обекти на Вселената се разпадат до субатомни частици и се забавят до най-ниското енергийно ниво.

Б) Протонът е стабилна елементарна частица;

B1) 100 вигинтилиона (1063) години - времето, през което всички тела в твърда форма, дори при абсолютна нула, преминават в "течно" състояние, причинено от ефекта на квантово тунелиране - миграция към други части на кристалната решетка;

B2) 101500 години - появата на хипотетични железни звезди поради процесите на студена нуклеосинтеза, преминаващи през квантово тунелиране, при което леките ядра се превръщат в най-стабилния изотоп - Fe56 (според други източници най-стабилният изотоп е никелът- 62, който има най-високата енергия на свързване.). В същото време тежките ядра също се превръщат в желязо поради радиоактивен разпад;

B3) 10 на 1026 - 10 на 1076 години - оценка на времевия диапазон, през който цялата материя във Вселената се натрупва в черни дупки.

Ерата на черните дупки

И в заключение можем да отбележим предположението, че след 10 на 10120 години цялата материя във Вселената ще достигне минимално енергийно състояние. Тоест това ще бъде хипотетичното начало на „топлинната смърт“ на Вселената. Освен това математиците имат концепцията за времето на връщане на Поанкаре.

Това понятие означава вероятността рано или късно която и да е част от системата да се върне в първоначалното си състояние. Добра илюстрация на тази концепция е случаят, когато в съд, разделен на две части с преграда, една от частите съдържа определен газ. Ако преградата бъде премахната, тогава рано или късно ще дойде времето, когато всички газови молекули ще бъдат в оригиналната половина на съда. За нашата Вселена времето за връщане на Поанкаре се оценява като фантастично голямо.

Теорията за "топлинната смърт" на Вселената стана популярна в популярната култура. Добра илюстрация на тази теория беше клипът на групата Complex Numbers: „Неизбежност“, както и научно-фантастичният разказ на Айзък Азимов „Последният въпрос“.

Малко вероятно е да са проведени социологически проучвания сред населението на тема: Защо се интересувате от знания за Вселената? Но е много вероятно повечето обикновени хора, които не се занимават с научни изследвания, да се тревожат за постиженията на съвременните учени в областта на изучаването на Вселената само във връзка с един проблем - крайна ли е нашата Вселена и ако е така, кога да очакваме всеобща смърт? Подобни въпроси обаче интересуват не само обикновените хора: почти век и половина учените също спорят по тази тема, обсъждайки теорията за топлинната смърт на Вселената.

Увеличаването на енергията води ли до смърт?

Всъщност теорията за топлинната смърт на Вселената следва логично от термодинамиката и рано или късно трябваше да бъде изразена. Но то е изразено на ранен етап от съвременната наука, в средата на 19 век. Неговата същност е да запомните основните понятия и закони на Вселената и да ги приложите към самата Вселена и към процесите, протичащи в нея. И така, от гледна точка на класическата термодинамика, Вселената може да се разглежда като затворена термодинамична система, тоест система, която не обменя енергия с други системи.

Няма причина да вярваме, твърдят привържениците на теорията за топлинната смърт, че Вселената може да обменя енергия с всяка външна за нея система, тъй като няма доказателства, че има нещо друго освен Вселената. Тогава за Вселената, както за всяка затворена термодинамична система, е приложим вторият закон на термодинамиката, който е един от основните постулати на съвременния научен мироглед. Вторият закон на термодинамиката гласи, че затворените термодинамични системи се стремят към най-вероятното равновесно състояние, тоест към състоянието с максимална ентропия. В случая с Вселената това означава, че при липса на "канали за изход" на енергия, най-вероятното равновесно състояние е състоянието на трансформация на всички видове енергия в топлина. А това означава равномерно разпределение на топлинната енергия в материята, след което всички известни макроскопични процеси във Вселената ще спрат, Вселената ще изглежда като парализирана, което, разбира се, ще доведе до прекратяване на живота.

Вселената не е толкова лесно да умре от топлинна смърт

Все пак общоприетото мнение, че всички учени са песимисти и са склонни да разглеждат само най-неблагоприятните варианти, е несправедливо. Веднага щом беше формулирана теорията за топлинната смърт на Вселената, научната общност веднага започна да търси аргументи, за да я опровергае. И аргументите бяха намерени в голям брой. На първо място, и най-първото от тях беше мнението, че Вселената не може да се разглежда като система, която е в състояние да бъде в състояние на равновесие през цялото време. Дори като се вземе предвид вторият закон на термодинамиката, Вселената като цяло може да достигне равновесно състояние, но нейните отделни участъци могат да изпитват флуктуации, тоест някои енергийни емисии. Тези колебания не позволяват да започне процесът на преобразуване на всички видове енергия в изключително топлинна енергия.

Друго мнение, което се противопоставя на теорията за топлинната смърт, сочи следното обстоятелство: ако вторият закон на термодинамиката наистина беше приложим за Вселената в абсолютна степен, то топлинната смърт щеше да е настъпила отдавна. Тъй като ако Вселената съществува неограничено време, тогава натрупаната в нея енергия вече трябва да е достатъчна за топлинна смърт. Но ако все още няма достатъчно енергия, тогава Вселената е нестабилна, развиваща се система, тоест тя се разширява. Следователно в този случай тя не може да бъде затворена термодинамична система, тъй като изразходва енергия за собственото си развитие и разширяване.

И накрая, съвременната наука оспорва теорията за топлинната смърт на Вселената от други позиции. Първата е общата теория на относителността. , според който Вселената е система, разположена в променливо гравитационно поле. От това следва, че тя е нестабилна и законът за нарастване на ентропията, тоест установяването на равновесно състояние на Вселената е невъзможно. В крайна сметка днешните учени са единодушни, че познанията на човечеството за Вселената са недостатъчни, за да се твърди недвусмислено, че тя е затворена термодинамична система, тоест няма контакти с някакви външни системи. Следователно все още не е възможно окончателно да се потвърди или отхвърли теорията за топлинната смърт на Вселената.

Александър Бабицки

МИНИСТЕРСТВО НА ОБРАЗОВАНИЕТО И НАУКАТА НА РУСКАТА ФЕДЕРАЦИЯ

Държавно учебно заведение

Висше професионално образование

Руски държавен търговско-икономически университет

УФИМСКИ ИНСТИТУТ

Юридически факултет и дистанционно обучение

Дистанционно обучение (5,5 години)

Специалност "Счетоводен анализ и одит"

Курсова работа

Предмет: Концепции на съвременното естествознание

Фамилия: Ситдикова

Име: Елвира

Средно име: Закиевна

Контролна работа, изпратена в университета

Фамилия на учителя: Хамидулин Явдат Накипович

Въведение

1.1 Появата на идеята за T.S.V.

2. Законът за нарастване на ентропията

2.2 Възможност за ентропия във Вселената

3. Топлинна смърт на Вселената в научната картина на света

3.1 Термодинамичен парадокс

3.2 Термодинамичен парадокс в релативистките космологични модели

3.3 Термодинамичен парадокс в космологията и пост-некласическата картина на света

Заключение

Литература

Въведение

Термичната смърт на Вселената (T.S.V.) е заключението, че всички видове енергия във Вселената трябва в крайна сметка да се превърнат в енергия на топлинно движение, която ще бъде равномерно разпределена върху веществото на Вселената, след което всички макроскопични процеси ще спрат в то. Това заключение е формулирано от R. Clausius (1865) въз основа на втория закон на термодинамиката. Според втория закон всяка физическа система, която не обменя енергия с други системи (такъв обмен очевидно е изключен за Вселената като цяло), се стреми към най-вероятното равновесно състояние - към така нареченото състояние с максимална ентропия. Такова състояние би съответствало на T.S.V. Още преди създаването на съвременната космология бяха направени многобройни опити да се опровергае заключението за T. S. W. Най-известната от тях е флуктуационната хипотеза на Л. Болцман (1872), според която Вселената е вечно в равновесно изотермично състояние, но според закона на случайността, понякога на едно място, след това на друго, отклонения от това състояние понякога възниква; те се появяват по-рядко, колкото по-голяма е обхваната площ и толкова по-голяма е степента на отклонение. Съвременната космология е установила, че не само заключението за T.S.V. е погрешно, но и ранните опити да се опровергае също са погрешни. Това се дължи на факта, че не са взети предвид значителни физически фактори и преди всичко гравитацията. Като се вземе предвид гравитацията, хомогенното изотермично разпределение на материята в никакъв случай не е най-вероятното и не отговаря на максимума на ентропията. Наблюденията показват, че Вселената е рязко нестационарна. Той се разширява и веществото, почти хомогенно в началото на разширяването, по-късно под въздействието на гравитационните сили се разпада на отделни обекти, образуват се купове от галактики, галактики, звезди и планети. Всички тези процеси са естествени, протичат с нарастването на ентропията и не изискват нарушаване на законите на термодинамиката. Дори и в бъдеще, като се вземе предвид гравитацията, те няма да доведат до хомогенно изотермично състояние на Вселената - до T.S.V. Вселената винаги е нестатична и постоянно се развива. Термодинамичният парадокс в космологията, формулиран през втората половина на 19 век, оттогава не спира да вълнува научната общност. Факт е, че той засегна най-дълбоките структури на научната картина на света. Въпреки че многобройните опити за разрешаване на този парадокс винаги са водили само до частичен успех, те са генерирали нови, нетривиални физически идеи, модели и теории. Термодинамичният парадокс е неизчерпаем източник на нови научни знания. В същото време формирането му в науката се оказва оплитано с много предразсъдъци и напълно грешни тълкувания. Имаме нужда от нов поглед към този на пръв поглед добре проучен проблем, който придобива нетрадиционен смисъл в пост-некласическата наука.

1. Идеята за топлинната смърт на Вселената

1.1 Появата на идеята за T.S.V.

Заплахата от топлинна смърт на Вселената, както казахме по-рано, беше изразена в средата на деветнадесети век. Томсън и Клаузиус, когато е формулиран законът за нарастване на ентропията при необратими процеси. Термичната смърт е такова състояние на материята и енергията във Вселената, когато градиентите на параметрите, които ги характеризират, са изчезнали. Развитието на принципа на необратимостта, принципа на нарастващата ентропия, се състоеше в разширяването на този принцип към Вселената като цяло, което беше направено от Клаузиус.

И така, според втория закон всички физически процеси протичат в посока на пренос на топлина от по-горещи тела към по-малко горещи, което означава, че процесът на изравняване на температурата във Вселената протича бавно, но сигурно. Следователно в бъдеще се очаква изчезването на температурните разлики и превръщането на цялата световна енергия в топлинна енергия, равномерно разпределена във Вселената. Заключението на Клаузий беше следното:

1. Енергията на света е постоянна

2. Ентропията на света се стреми към максимум.

По този начин термичната смърт на Вселената означава пълно спиране на всички физически процеси поради преминаването на Вселената в равновесно състояние с максимална ентропия.

Болцман, който открива връзката между ентропията S и статистическото тегло P, смята, че сегашното нехомогенно състояние на Вселената е грандиозна флуктуация*, въпреки че вероятността за нейното възникване е незначителна. Съвременниците на Болцман не признават неговите възгледи, което води до остра критика на работата му и, очевидно, води до болестта и самоубийството на Болцман през 1906 г.

Обръщайки се към първоначалните формулировки на идеята за топлинната смърт на Вселената, може да се види, че те не съответстват във всички отношения на техните добре известни интерпретации, през призмата на които тези формулировки обикновено се възприемат от нас. Обичайно е да се говори за теорията за топлинната смърт или за термодинамичния парадокс на У. Томсън и Р. Клаузиус.

Но, първо, съответните мисли на тези автори не съвпадат във всичко, и второ, твърденията по-долу не съдържат нито теория, нито парадокс.

У. Томсън, анализирайки общата тенденция за разсейване на механичната енергия, която се проявява в природата, не я разшири до света като цяло. Той екстраполира принципа на нарастване на ентропията само към мащабни процеси, протичащи в природата. Напротив, Клаузий предлага екстраполация на този принцип именно към Вселената като цяло, която действа за него като всеобхватна физическа система. Според Клаузиус "общото състояние на Вселената трябва да се променя все повече и повече" в посока, определена от принципа на нарастващата ентропия и следователно това състояние трябва непрекъснато да се приближава до определено гранично състояние. Може би за първи път термодинамичният аспект в космологията е идентифициран от Нютон. Именно той забелязва ефекта на "триенето" в часовниковия механизъм на Вселената - тенденция, която в средата на XIXв. наречено увеличение на ентропията. В духа на своето време Нютон призовава Господ Бог на помощ. Именно той е назначен от сър Айзък да наблюдава навиването и ремонта на тези „часовници“.

В рамките на космологията термодинамичният парадокс е признат в средата на 19 век. Дискусията за парадокса породи редица блестящи идеи с широко научно значение (обяснението на "Шрьодингер" от Л. Болцман за "анти-ентропията" на живота; неговото въвеждане на флуктуациите в термодинамиката, основните последици от които във физиката не са изчерпани досега; неговата собствена грандиозна космологична флуктуационна хипотеза, извън концептуалната рамка, която физиката в проблема за "топлинната смърт" на Вселената все още не е излязла; дълбока и новаторска, но въпреки това исторически ограничена флуктуационна интерпретация на Второ начало.

1.2 Поглед към T.S.W. от двадесети век

Сегашното състояние на науката също не е в съответствие с предположението за топлинната смърт на Вселената. На първо място, това заключение е от значение за изолирана система и не е ясно защо Вселената може да бъде приписана на такива системи.

Във Вселената има гравитационно поле, което не е взето под внимание от Болцман, и то е отговорно за появата на звезди и галактики: гравитационните сили могат да доведат до образуването на структура от хаоса, могат да породят звезди от Космоса прах. По-нататъшното развитие на термодинамиката и с нея идеята на T.S.V. През 19 век са формулирани основните положения (начала) на термодинамиката на изолирани системи. През първата половина на 20-ти век термодинамиката се развива предимно не в дълбочина, а в ширина, възникват нейните различни раздели: технически, химически, физически, биологични и др. термодинамика. Едва през 40-те години на миналия век се появяват работи по термодинамиката на отворени системи близо до точката на равновесие, а през 80-те години възниква синергетиката. Последното може да се тълкува като термодинамика на отворени системи далеч от точката на равновесие. И така, съвременната естествена наука отхвърля концепцията за "топлинна смърт" по отношение на Вселената като цяло. Факт е, че Клаузий прибягва в разсъжденията си до следните екстраполации:

1. Вселената се разглежда като затворена система.

2. Еволюцията на света може да се опише като промяна в неговите състояния.

топлина смърт вселена ентропия

За света като цялостно състояние с максимална ентропия това има смисъл, както и за всяка крайна система. Но легитимността на тези екстраполации сама по себе си е силно съмнителна, въпреки че проблемите, свързани с тях, представляват трудности и за съвременната физическа наука.