Dom › Djeca › Toplotna smrt svemira. Da li se suočavamo sa toplotnom smrću Univerzuma? Era crnih rupa

Toplotna smrt svemira. Da li se suočavamo sa toplotnom smrću Univerzuma? Era crnih rupa

Pokušao je da se zakoni termodinamike prošire na svemir u cjelini R. Clausius koji su izneli sledeće postulate.

- Energija Univerzuma je uvijek konstantna, odnosno Univerzum je zatvoreni sistem.

- Entropija univerzuma se stalno povećava.

Ako prihvatimo drugi postulat, onda moramo priznati da svi procesi u Univerzumu imaju za cilj postizanje stanja termodinamičke ravnoteže koje karakteriše maksimum entropije, što znači najveći stepen haosa, neorganizovanosti, energetskog balansiranja. U ovom slučaju, svemir će toplotna smrt i nikakav koristan rad, nikakvi novi procesi ili formacije u njemu neće biti proizvedeni (zvijezde neće sijati, nove zvijezde i planete će se formirati, evolucija svemira će se zaustaviti).

Mnogi naučnici se nisu složili sa ovom sumornom perspektivom, sugerišući da se uz entropijske procese u Univerzumu moraju javiti i antientropijski procesi, koji sprečavaju toplotnu smrt Univerzuma.

Među tim naučnicima bio je i L. Bolcman, koji je to predložio za mali broj čestica ne bi trebalo da važi drugi zakon termodinamike , jer je u ovom slučaju nemoguće govoriti o stanju ravnoteže sistema. U isto vrijeme, naš dio Univerzuma treba smatrati malim dijelom beskonačnog Univerzuma. A za tako malo područje dopuštena su mala fluktuacija (slučajna) odstupanja od opće ravnoteže, zbog čega ireverzibilna evolucija našeg dijela Univerzuma prema haosu općenito nestaje. Postoje relativno male oblasti u Univerzumu, reda našeg zvezdanog sistema, koje značajno odstupaju od toplotne ravnoteže tokom relativno kratkih vremenskih perioda. U ovim oblastima se odvija evolucija, odnosno razvoj, poboljšanje, narušavanje simetrije.

Sredinom dvadesetog veka, nova neravnotežna termodinamika, tj. termodinamika otvorenih sistema , ili sinergija gde je mesto zatvorenog izolovanog sistema zauzeo fundamentalni koncept otvorenog sistema. Osnivači ove nove nauke bili su I.R.Prigozhin(1917-2004) i G. Haken (1927).

otvoreni sistem- sistem koji razmjenjuje materiju, energiju ili informacije sa okolinom.

Otvoreni sistem takođe proizvodi entropiju, kao i zatvoreni, ali za razliku od zatvorenog, ova entropija se u otvorenom sistemu ne akumulira, već se oslobađa u okolinu. Iskorišćena otpadna energija (energija slabijeg kvaliteta – toplotna na niskoj temperaturi) se raspršuje u okolinu i umesto nje iz okoline se izvlači nova energija (visokog kvaliteta, sposobna da se menja iz jednog oblika u drugi), sposobna da proizvede korisnu energiju. rad.

Nastaje u ove svrhe materijalne strukture sposobne da rasipaju iskorištenu energiju i apsorbiraju svježu energiju nazivaju se disipativnim . Kao rezultat ove interakcije, sistem izvlači red iz okoline, dok istovremeno unosi nered u ovo okruženje. Sa dolaskom nove energije, materije ili informacije, neravnoteža u sistemu se povećava. Dosadašnji odnos između elemenata sistema koji je odredio njegovu strukturu je uništen. Nastaju nove veze između elemenata sistema, koje dovode do kooperativnih procesa, odnosno do kolektivnog ponašanja elemenata. Ovako se mogu shematski opisati procesi samoorganizacije u otvorenim sistemima.

Primjer takvog sistema je laserski rad , koji proizvodi snažno optičko zračenje. Kaotična oscilatorna kretanja čestica takvog zračenja, zbog prijema određenog dijela energije izvana, proizvode koordinisane pokrete. Čestice zračenja počinju oscilirati u istoj fazi, zbog čega se snaga laserskog zračenja višestruko povećava, nesrazmjerno količini pumpane energije.

Proučavajući procese koji se dešavaju u laseru, njemački fizičar G. Haken (r.1927.) imenovao je novi pravac sinergetika, što na starogrčkom znači “zajednička akcija”, “interakcija”.

Još jedan dobro poznati primjer samoorganizacije su hemijske reakcije koje je proučavao I.Prigozhin. Samoorganizacija u ovim reakcijama povezana je sa ulaskom u sistem izvana supstanci koje obezbeđuju ove reakcije (reagensa), s jedne strane, i uklanjanjem produkata reakcije u okolinu, s druge strane. Izvana, takva samoorganizacija se može manifestirati u obliku periodičnog pojavljivanja koncentričnih valova ili u periodičnoj promjeni boje otopine koja reagira. Sličnu hemijsku reakciju dobio je i proučavao poznati belgijski hemičar ruskog porekla I.R.Prigozhin. Prigožin je svoju hemijsku reakciju nazvao "Bruselator" u čast grada Brisela, u kojem je Prigožin živeo i radio, i gde je ova reakcija prvi put izvedena.

Evo kako je sam Prigogine o tome napisao: „Pretpostavimo da imamo dvije vrste molekula: „crvene“ i „plave“. Zbog haotičnog kretanja molekula moglo bi se očekivati da će u jednom trenutku na lijevoj strani posude biti više “crvenih” molekula, a u sljedećem trenutku više “plavih” molekula itd. Boju mješavine je teško opisati: ljubičasta sa nasumičnim prijelazima u plavu i crvenu. Kada pogledamo hemijski sat, videćemo drugačiju sliku: cela reakciona smeša će imati plavu boju, zatim će se njena boja naglo promeniti u crvenu, zatim ponovo u plavu i tako dalje. Promjena boje se dešava u redovnim intervalima. Da bi istovremeno promijenili svoju boju, molekuli moraju nekako održavati međusobnu vezu. Sistem se mora ponašati kao celina” (Prigozhin I., Stengers I. Order from chaos. M., 1986. P.202-203).

Naravno, nema "dosluha" između molekula u bukvalnom smislu te riječi i ne može biti. Činjenica je da su u određenom trenutku svi molekuli počeli da vibriraju u jednoj fazi - plavoj, a onda je cijela mješavina dobila plavu boju. Nakon određenog vremenskog perioda, molekuli su počeli da vibriraju u drugoj fazi - crvenoj fazi, a zatim je cijela smjesa postala crvena itd., sve dok se djelovanje reagensa nije završilo.

Uzmimo još jedan primjer. Ako uzmemo prozirni cirkuski bubanj s plavim i crvenim kuglicama i počnemo ga rotirati na određenoj frekvenciji - frekvenciji crvene, tada ćemo, kao i u slučaju molekula, otkriti da su sve kugle postale crvene. Ako promijenimo brzinu bubnja na odgovarajuću plavu valnu dužinu, vidjet ćemo da kuglice postaju plave, itd.

Najilustrativniji primjer samoorganizacije je Benard ćelije . To su male šestougaone strukture koje se, na primjer, mogu formirati u sloju maslaca na tavi s odgovarajućom temperaturnom razlikom. Čim se promijeni temperaturni režim, ćelije se raspadaju.

Dakle, da bi se nova struktura spontano postavila, potrebno je postaviti odgovarajuće parametre okruženja.

Kontrolni parametri- to su parametri okoline koji stvaraju granične uslove unutar kojih postoji ovaj otvoreni sistem (to može biti temperaturni režim, odgovarajuća koncentracija supstanci, frekvencija rotacije, itd.).

Opcije naručivanja- ovo je "odgovor" sistema na promjenu kontrolnih parametara (restrukturiranje sistema).

Očigledno je da proces samoorganizacije ne može započeti ni u jednom sistemu i ni pod kakvim uslovima. Razmotrimo uslove pod kojima može započeti proces samoorganizacije.

Neophodni uslovi za nastanak samoorganizacije u raznim sistemima su kako slijedi:

1. Sistem mora biti otvoren , jer zatvoreni sistem, u krajnjoj liniji, mora doći u stanje maksimalnog nereda, haosa, dezorganizacije u skladu sa 2. zakonom termodinamike;

2. Otvorite sistem mora biti dovoljno udaljen od tačke termodinamičke ravnoteže . Ako je sistem već blizu ove tačke, onda će mu se neminovno približiti i na kraju će doći u stanje potpunog haosa i neorganizovanosti. Jer tačka termodinamičke ravnoteže je jak atraktor;

3. Osnovni princip samoorganizacije je " nastanak reda kroz fluktuacije" (I.Prigozhin). fluktuacije ili nasumična odstupanja sistema od neke prosječne pozicije na početku se potiskuju i eliminišu od strane sistema. Međutim, u otvorenim sistemima, usled jačanja neravnoteže, ova odstupanja se vremenom povećavaju, intenziviraju i na kraju dovode do „labavljenja“ nekadašnjeg poretka, do haosa u sistemu. U stanju nestabilnosti, nestabilnosti, sistem će biti posebno osetljiv na početne uslove, osetljiv na fluktuacije. U ovom trenutku, neka fluktuacija prelazi sa makro nivoa sistema na njegov mikro nivo i bira dalji put razvoja sistema, njegovog daljeg restrukturiranja. U osnovi je nemoguće predvidjeti kako će se sistem ponašati u stanju nestabilnosti, kakav će mu izbor biti napravljen. Ovaj proces je okarakterisan kao princip „nastajanja reda kroz fluktuacije“. Fluktuacije su nasumične. Stoga postaje jasno da je pojava nečeg novog u svijetu povezana s djelovanjem slučajnih faktora.

Na primjer, totalitarno društvo u Sovjetskom Savezu bilo je čvrsta društvena struktura. Međutim, informacije koje dolaze iz inostranstva o životu drugih društava, trgovini (razmjena roba) itd. počeo izazivati devijacije u totalitarnom društvu u vidu slobodoumlja, nezadovoljstva, neslaganja itd. U početku je struktura totalitarnog društva bila u stanju da suzbije te fluktuacije, ali su one postajale sve više, a njihova snaga je rasla, što je dovelo do labavljenja i urušavanja stare totalitarne strukture i njene zamjene novom.

I još jedan komičan primjer: Priča o repi. Djed je posadio repu. Izrasla je velika repa. Vrijeme je da je izvučemo iz zemlje. Djed je vukao i vukao repu, ali nije mogao da je izvuče. Naš sistem repe je još uvijek previše stabilan. Djed je pozvao baku u pomoć. Vukli su, vukli repu, ali nisu mogli da je izvuku. Fluktuacije koje labave repu postaju sve jače, ali još uvijek nisu dovoljne da unište sistem (repu). Zvali su unuku, ali ni repu nisu izvukli. Potom su psa nazvali Buba, a na kraju i miša. Činilo se da bi se miš mogao potruditi, ali to je bila „posljednja slamka“, koja je dovela do kvalitativno nove promjene u sistemu - njegovog kolapsa (repa je izvučena iz zemlje). Miš se može nazvati nepredvidivom nezgodom koja je odigrala odlučujuću ulogu, ili "malim uzrokom velikih događaja";

4. Pojava samoorganizacije se zasniva na pozitivne povratne informacije . Po principu pozitivne povratne sprege, promjene koje se javljaju u sistemu se ne eliminišu, već se intenziviraju, akumuliraju, što u konačnici dovodi do destabilizacije, labavljenja stare strukture i njene zamjene novom;

5. Procesi samoorganizacije su praćeni kršenje simetrije . Simetrija znači stabilnost, nepromjenjivost. Samoorganizacija, s druge strane, podrazumijeva asimetriju, odnosno razvoj, evoluciju;

6. Samoorganizacija može početi samo u velikim sistemima koji imaju dovoljan broj elemenata u međusobnoj interakciji (10 10 -10 14 elemenata), odnosno u sistemima koji imaju neke kritični parametri . Za svaki specifični samoorganizirajući sistem, ovi kritični parametri su različiti.

Predavanje broj 14. Osnovni koncepti sinergetike. Sposobnost upravljanja sinergijskim sistemima.

Eksplozivni, katastrofalni procesi poznati su čovječanstvu od davnina. Recimo da je osoba koja putuje u planine znala, na osnovu svog empirijskog iskustva, da se planinska lavina može srušiti iznenada, gotovo od daha vjetra ili neuspješnog koraka.

Revolucije i kataklizme često su bile rezultat posljednje kapi narodnog nezadovoljstva, posljednjeg slučajnog događaja koji je preplavio vagu. To su bili tipični mali uzroci velikih događaja.

Svako od nas se može sjetiti određenih situacija izbora koje su mu stajale na putu života, a u odlučujućim trenucima u životu pred nama se otvaralo nekoliko prilika. Svi smo uključeni u mehanizme, gde u kritičnom trenutku, trenutku prekretnice, odlučujući izbor određuje slučajni događaj. Dakle, lavinski procesi, društvene kataklizme i prevrati, kritične situacije izbora na životnom putu svake osobe... Da li je moguće izvući jednu naučnu osnovu za sve ove naizgled različite činjenice? U proteklih 30 godina postavljeni su temelji za takav univerzalni naučni model, koji se zove sinergija.

Kao što smo vidjeli, sinergija se zasniva na idejama sistematski, holistički pristup svijetu nelinearnost (tj. mnogo varijacija), ireverzibilnost , duboko odnos između haosa i reda . Sinergetika nam daje sliku složeni svijet , što nije postalo, ali postajanje ne samo da postoji, nego kontinuirano nastaju . Ovaj svijet se razvija nelinearni zakoni , puna je neočekivano , nepredvidivo skretanja, vezano za izbor daljeg razvojnog puta.

Predmet sinergetike su mehanizmi samoorganizacije . To su mehanizmi za formiranje i uništavanje struktura, mehanizmi koji osiguravaju prijelaz iz haosa u red i obrnuto. Ovi mehanizmi ne zavise od specifične prirode elemenata sistema. Oni su svojstveni neživom svijetu i prirodi, čovjeku i društvu. Sinergetika se stoga smatra interdisciplinarnim područjem znanstvenog istraživanja.

Sinergetika, kao i svaka druga nauka, ima svoj jezik, svoj sistem pojmova. To su koncepti kao što su "atraktor", "bifurkacija", "fraktalni objekt", "deterministički haos" i drugi. Ovi koncepti treba da postanu dostupni svakom obrazovanom čoveku, tim pre što mogu naći odgovarajuće analoge u nauci i kulturi.

Osnovni koncepti sinergetike su koncepti "haosa" i "reda".

Red- ovo je skup elemenata bilo koje prirode, između kojih postoje stabilni (pravilni) odnosi koji se ponavljaju u prostoru i vremenu. Na primjer, formiranje vojnika koji marširaju u paradi.

Haos- skup elemenata između kojih nema stabilnih ponavljajućih odnosa. Na primjer, gomila ljudi koji panično trče.

Koncept "atraktora" blizak konceptu ciljevi. Ovaj koncept se može otkriti kao svrsishodnost, kao pravac ponašanja sistema, kao njegovo stabilno relativno konačno stanje. U sinergiji atraktor se shvata kao relativno stabilno stanje sistema, koje, takoreći, privlači raznovrsnost putanja sistema određena različitim početnim uslovima. Ako sistem padne u konus atraktora, onda on neizbježno evoluira u ovo relativno stabilno stanje. Na primjer, bez obzira na početnu poziciju lopte, ona će se otkotrljati na dno jame. Stanje mirovanja lopte na dnu boksa je atraktor kretanja lopte.

Atraktori podijeljeno na jednostavno i čudno .

Jednostavan atraktor(atraktor) je granično stanje naloga. Sistem gradi red i poboljšava ga ne do beskonačnosti, već do nivoa koji određuje jednostavan atraktor.

čudan atraktor je granično stanje haotizacije sistema. Sistem je haotičan, raspada se, takođe, ne do beskonačnosti, već do nivoa koji određuje čudan atraktor.

koncept bifurkacija u prijevodu s engleskog znači viljuška sa dva zupca - befork. Obično ne govore o samoj bifurkaciji, već o tačke bifurkacije . Sinergijski smisao tačke bifurkacije je - ovo je tačka grananja mogućih puteva evolucije sistema .Prolazeći kroz tačke grananja, savršen izbor zatvara druge puteve i na taj način čini evolucijski proces nepovratnim. .

Nelinearni sistem može se definirati kao sistem koji sadrži bifurkacije.

Veoma je važno za sinergiju nelinearnost . Ispod nelinearnost razumjeti:

1. Mogućnost izbora načina razvoja sistema (podrazumijeva se da sistem nema jedan, već više puta);

2. Nesamerljivost našeg uticaja na sistem i rezultat dobijen u njemu. Prema poslovici, "miš će roditi planinu".

Ono što se u sinergiji zove “bifurkacija ” ima duboke analoge u kulturi. Kada vitez iz bajke stoji, razmišljajući o kamenu kraj puta na račvanju i izbor puta će odrediti njegovu buduću sudbinu, onda je to u suštini vizuelno-figurativni prikaz račvanja u životu osobe. Evolucija bioloških vrsta, predstavljena kao evolucijsko drvo , jasno ilustruje razgranate puteve evolucije žive prirode.

> Toplotna smrt

Istražiti hipoteza toplotne smrti svemira. Pročitajte koncept i teoriju toplotne smrti, ulogu entropije Univerzuma, termodinamičku ravnotežu, temperaturu.

Entropija univerzuma stalno raste. Njegov cilj je termodinamička ravnoteža, koja će dovesti do toplotna smrt.

Zadatak učenja

Razmotrite procese koji dovode do problema toplotne smrti Univerzuma.

Ključne točke

U ranom svemiru, sva materija i energija su bile lako zamjenjive i identične prirode.
Sa rastom entropije, sve manje energije otvaralo je rad.
Univerzum teži termodinamičkoj ravnoteži – maksimalnoj entropiji. Ovo je toplotna smrt i kraj aktivnosti svega.

Uslovi

Asteroid je prirodno čvrsto tijelo, inferiorno po veličini u odnosu na planetu i ne djeluje kao kometa.
Entropija je mjera raspodjele uniformne energije u sistemu.
Geotermalna - odnosi se na toplotnu energiju koja dolazi iz dubokih zemljanih rezervoara.

U ranom svemiru, materija i energija su bile identične prirode i bile su lako zamjenjive. Naravno, gravitacija je igrala glavnu ulogu u mnogim procesima. Činilo se neredovnim, ali sva energija budućeg svemira bila je ponuđena za rad.

Prostor je evoluirao, a nastale su i razlike u temperaturi, stvarajući više mogućnosti za rad. Zvijezde u grijanju nadmašuju planete, koje su ispred asteroida, a one su toplije od vakuuma. Mnogi se hlade zbog nasilnih smetnji (nuklearna eksplozija u blizini zvijezda, vulkanska aktivnost u blizini Zemlje, itd.). Ako ne dobijete dodatnu energiju, onda su im dani odbrojani. Ispod je mapa svemira.

Ovo je veoma mlad Univerzum sa fluktuacijama temperature (naglašenim bojama), što odgovara zrncima koji su postali galaksije

Što je viša entropija, manje energije ulazi u rad. Zemlja ima velike rezerve energije (fosili i nuklearna goriva), velike temperaturne razlike (energija vjetra), geotermalnu energiju zbog razlike u temperaturnim oznakama zemljinih slojeva i energije plime i oseke vode. Ali dio njihove energije nikada neće ići na posao. Kao rezultat, sve vrste goriva će biti iscrpljene, a temperature će se izjednačiti.

Univerzum se percipira kao zatvoreni sistem, tako da se prostorna entropija stalno povećava, a količina energije koja je dostupna za rad se smanjuje. Na kraju, kada sve zvijezde eksplodiraju, potroše se svi oblici potencijalne energije, a temperature se izjednače, rad postaje jednostavno nemoguć.

Naš Univerzum teži termodinamičkoj ravnoteži (maksimalna entropija). Često se ovaj scenario naziva toplotnom smrću – prestankom svih aktivnosti. Ali prostor se nastavlja širiti i kraj je još uvijek predaleko. Uz pomoć proračuna crne rupe, pokazalo se da će entropija trajati još 10.100 godina.

Drugi zakon (početak) termodinamike kaže da se unutrašnja energija toplote (toplota) ne može samostalno preneti sa manje zagrejanog objekta na više zagrejani objekat.

Kao rezultat Drugog zakona termodinamike, svaki fizički sistem koji ne razmjenjuje energiju s drugim sistemima teži najvjerovatnijem stanju ravnoteže - stanju sa najvećom entropijom (vrijednost koja karakteriše stepen neuređenosti i termičko stanje fizički sistem). Ovaj zakon je prvi opisao Sadi Carnot 1824. Kao posljedica toga, William Kelvin je već 1852. godine predložio hipotezu o budućoj „termalnoj smrti Zemlje“ u toku procesa hlađenja naše planete do beživotnog stanja. Rudolf Clausius je 1865. proširio ovu hipotezu na cijeli svemir.

Godine 1872. austrijski fizičar Ludwig Boltzmann pokušao je kvantificirati entropiju koristeći formulu S = k * ln W (gdje je S entropija, k je Boltzmannova konstanta, W je broj mikrostanja koja ostvaruju makrostanje. Mikrostanje je stanje stanje. jedne komponente sistema, i makrostanje — stanje sistema kao celine.

Još veći dokaz validnosti hipoteze bilo je otkriće toplotnog zračenja Univerzuma, koje je nastalo tokom rekombinacije (kombinacije protona i elektrona u atome) primarnog vodonika, koja se dogodila nakon 379 hiljada godina. Proces rekombinacije se odvija na temperaturama od 3 hiljade Kelvina, dok je trenutna temperatura kosmičkog mikrotalasnog pozadinskog zračenja, određena iz njegovog maksimuma, samo 2,7 Kelvina. Studija CMB je pokazala da je izotropan (ujednačen) za bilo koji pravac na nebu na nivou od 99,999%.

Astronomska zapažanja vam omogućavaju da izgradite tzv. Madau-dijagram, koji pokazuje zavisnost brzine formiranja zvijezda od .

Proučavanje statistike kvazara (jezgra aktivnih galaksija) omogućava neovisnu procjenu brzine formiranja zvijezda. Istraživanje 2DF sprovedeno 1997-2002 na australskom AAT teleskopu proučavalo je oko 10.000 kvazara na nebu od 1,5 hiljada kvadratnih stepeni u regionima oba galaktička pola.

Još jedan dokaz ispravnosti teorije buduće „toplinske smrti Univerzuma“ bila su istraživanja nuklearne fizike, koja su pokazala da energija vezivanja nukleona (protona i neutrona) u jezgru raste kako se njihov broj u jezgru većine hemijski elementi se povećavaju.

Posljedica ove ovisnosti bila je da reakcije termonuklearne fuzije koje uključuju lakše kemijske elemente (na primjer, vodonik i helijum) dovode do oslobađanja mnogo više energije u unutrašnjosti zvijezda nego termonuklearne reakcije koje uključuju teže kemijske elemente. Osim toga, teorijske studije s kraja 20. stoljeća sugerirale su da one nisu vječne, već da postepeno isparavaju pod djelovanjem (hipotetičko zračenje crnih rupa, koje se uglavnom sastoji od fotona).

Argumenti protiv hipoteze o "toplotnoj smrti" Univerzuma

Sumnje u valjanost hipoteze o neizbježnoj „termalnoj smrti svemira“ u budućnosti mogu se podijeliti na nekoliko tačaka (vidi ilustraciju teorije Velikog rascjepa svemira).

Postoji neizvjesnost u predviđanju budućih promjena u obimu našeg svemira. Postoji i teorija o Velikoj kompresiji Univerzuma (ubrzano širenje Univerzuma do beskonačnosti), i teorija o Velikoj kompresiji Univerzuma (u budućnosti će se Univerzum početi smanjivati). Neizvjesnost između ovih opcija uzrokovana je nedavnim otkrićima misteriozne tamne tvari i energije.

Postoji neizvjesnost oko broja postojećih Univerzuma i mogućnosti komunikacije između njih. S jedne strane, fotometrijski paradoks (Szezo-Olbersov paradoks) tamnog neba govori o konačnosti veličine i starosti našeg Univerzuma, kao i o odsustvu njegove povezanosti sa drugim Univerzumima.

S druge strane, iz principa osrednjosti (kopernikanski princip) proizlazi da naš Univerzum nije jedinstven, i da mora postojati beskonačan broj drugih Univerzuma s različitim skupom fizičkih konstanti. Osim toga, moderna fizika priznaje postojanje prostorno-vremenskih tunela (crvotočina) između različitih Univerzuma.

Kada se obična tvar ohladi (prijelaz u čvrsto stanje), njena entropija se ne povećava, već opada:

Ključne tačke teorije „termalne smrti“ Univerzuma su mogućnost raspada protona i postojanje „Hawkingovog zračenja“, ali ovi hipotetički fenomeni još nisu eksperimentalno dokazani.

Postoji velika neizvjesnost o utjecaju života i inteligencije na dinamiku entropije Univerzuma. U pitanju uticaja neinteligentnih oblika života na entropiju Univerzuma, nema sumnje da život smanjuje entropiju. Kao dokaz za to možemo navesti činjenice složenije prirode živih organizama u odnosu na bilo koje neorganske hemikalije. Površina naše planete zbog biosfere izgleda mnogo raznovrsnije u odnosu na „mrtvu“ površinu, ili . Osim toga, najjednostavniji živi organizmi se vide u aktivnosti obogaćivanja Zemljine atmosfere kisikom (biogeni kisik), kao i stvaranju bogatih mineralnih naslaga (biogeneza).

Istovremeno, ostaje neodgovoreno pitanje: da li inteligentni život (tj. čovjek) povećava ili smanjuje entropiju Univerzuma? S jedne strane, ljudski mozak je najkompleksniji oblik poznat među živim organizmima, kao i činjenica da je naučni i tehnološki napredak omogućio ljudima da dostignu neviđene visine u znanju i dizajnu, uključujući i sintezu hemijskih elemenata i elementarnih čestica. koji se ne primećuju u prirodi.. Moderna ljudska civilizacija u stanju je spriječiti velike prirodne katastrofe (šumske požare, poplave, masovne epidemije itd.) i na korak je od mogućnosti sprječavanja planetarnih katastrofa (padanja malih asteroida i kometa).

S druge strane, ljudsku civilizaciju odlikuju i “entropijske” tendencije. Razorna moć arsenala oružja raste zajedno s povećanjem broja opasnih kemijskih i nuklearnih industrija, rudarska industrija u samo nekoliko desetljeća u stanju je opustošiti mineralna ležišta koja su se nakupljala na planeti stotinama miliona godina. Razvoj poljoprivrede doveo je do krčenja šuma većeg dijela površine naše planete, a također doprinosi degradaciji i zaplitanju tla. Krivolov, emisije stakleničkih plinova (moguće zakiseljavanje oceana) itd. ubrzano smanjuju biodiverzitet naše planete, u vezi s čime ekolozi klasifikuju trenutno vrijeme kao novo masovno izumiranje. Osim toga, posljednjih decenija bilježi se snažan pad nataliteta u najrazvijenijim zemljama, moguće je da je ova demografska situacija bila rezultat nedovoljno usložnjavanja života ljudske civilizacije.

U vezi sa svim ovim trendovima, bliska budućnost ljudske civilizacije predstavlja ogroman broj mogućnosti: od epske slike svemirske kolonizacije cijele galaksije, uz izgradnju Dysonovih sfera, uspona umjetne inteligencije i uspostavljanja kontakta s vanzemaljcima. civilizacije, sve do povratka u vječni srednji vijek na planeti sa potkopanim mineralnim i biološkim resursima. Fermijev paradoks (Velika tišina svemira) dodaje još više nesigurnosti pitanju utjecaja života i uma na dinamiku entropije svemira, budući da postoji ogroman raspon za njegovo objašnjenje: od ogromne rijetkosti biosfere i inteligentne civilizacije u Univerzumu na hipotezu da je naša Zemlja određena “rezerva” ili “matrica” u svijetu inteligentnih supercivilizacija.

Moderna ideja o "toplotnoj smrti" Univerzuma

Trenutno, fizičari razmatraju sljedeći slijed evolucije Univerzuma u budućnosti, podložan njegovom daljem širenju trenutnom brzinom:

1-100 triliona (1012) godina - završetak formiranja zvijezda u svemiru i izumiranje čak i najnovijih crvenih patuljaka. Nakon ovog trenutka u svemiru će ostati samo zvjezdani ostaci: crne rupe, neutronske zvijezde i bijeli patuljci.
1 kvadrilion (1015) godina - sve planete će napustiti svoje orbite oko zvijezda zbog gravitacijskih poremećaja zbog bliskih preleta drugih zvijezda.
10-100 kvintiliona (1018) godina - sve planete, smeđi patuljci i zvjezdani ostaci će napustiti svoje galaksije zbog stalnih gravitacijskih perturbacija jedna od druge.
100 kvintiliona (1018) godina - približno vrijeme pada Zemlje na Sunce zbog emisije gravitacionih talasa, ako je Zemlja preživjela fazu crvenog džina i ostala u svojoj orbiti.
2 anvigintiliona (1066) godina - približno vrijeme za potpuno isparavanje crne rupe sa masom Sunca.
17 septeciliona (10105) godina je približno vrijeme za potpuno isparavanje crne rupe s masom od 10 triliona solarnih masa. Ovo je kraj ere crnih rupa.

U budućnosti, budućnost svemira pada na dvije moguće opcije, ovisno o tome da li je proton stabilna elementarna čestica ili ne:

A) Proton je nestabilna elementarna čestica;
A1) 10 deciliona (1033) godina - najmanji mogući poluživot protona prema eksperimentima nuklearnih fizičara na Zemlji;
A2) 2 undeciliona (1036) godina - najmanje moguće vrijeme za raspad svih protona u Univerzumu;
A3) 100 dodeciliona (1039) godina je najduži mogući poluživot protona, što proizlazi iz hipoteze da se Veliki prasak objašnjava inflatornim kosmološkim teorijama, te da je raspad protona uzrokovan istim procesom koji je odgovoran za prevlast bariona nad antibarionima u ranom Univerzumu;
A4) 30 tredeciliona (1041) godina je maksimalno moguće vrijeme raspada za sve barione u Univerzumu. Nakon ovog vremena, trebalo bi da počne era crnih rupa, jer će one ostati jedini postojeći nebeski objekti u Univerzumu;
A5) 17 sedamnaest milijardi (10105) godina je približno vrijeme za potpuno isparavanje čak i najmasivnijih crnih rupa. Ovo je vrijeme kraja ere crnih rupa i početka ere vječne tame, u kojoj su se svi objekti Univerzuma raspadali do subatomskih čestica i usporavali na najniži energetski nivo.

B) Proton je stabilna elementarna čestica;

B1) 100 vigintiliona (1063) godina - vrijeme tokom kojeg sva tijela u čvrstom obliku, čak i na apsolutnoj nuli, prelaze u "tečno" stanje, uzrokovano efektom kvantnog tuneliranja - migracije u druge dijelove kristalne rešetke;

B2) 101500 godina - pojava hipotetičkih željeznih zvijezda zbog procesa hladne nukleosinteze, prolazeći kroz kvantno tuneliranje, tokom kojeg se svjetlosna jezgra pretvaraju u najstabilniji izotop - Fe56 (prema drugim izvorima, najstabilniji izotop je nikl- 62, koji ima najveću energiju vezivanja.). U isto vrijeme, teška jezgra se također pretvaraju u željezo zbog radioaktivnog raspada;

B3) 10 u 1026 - 10 u 1076 godina - procjena vremenskog raspona tokom kojeg se sva materija u svemiru nakuplja u crne rupe.

Era crnih rupa

I kao zaključak, možemo primijetiti pretpostavku da će nakon 10 u 10120 godina sva materija u Univerzumu dostići minimalno energetsko stanje. Odnosno, ovo će biti hipotetički početak "termalne smrti" Univerzuma. Osim toga, matematičari imaju koncept povratnog vremena Poincaréa.

Ovaj koncept znači vjerovatnoću da će se prije ili kasnije bilo koji dio sistema vratiti u prvobitno stanje. Dobra ilustracija ovog koncepta je slučaj kada u posudi podijeljenoj na dva dijela pregradom, jedan od dijelova sadrži određeni plin. Ako se pregrada ukloni, tada će prije ili kasnije doći vrijeme kada će svi molekuli plina biti u originalnoj polovini posude. Za naš univerzum, Poincareovo vrijeme povratka procjenjuje se na fantastično veliko.

Teorija "toplotne smrti" svemira postala je popularna u popularnoj kulturi. Dobra ilustracija ove teorije bio je snimak grupe Kompleksni brojevi: „Neminovnost“, kao i naučnofantastična priča Isaka Asimova „Poslednje pitanje“.

Malo je vjerovatno da su provedena sociološka istraživanja među opštom populacijom na temu: Zašto vas zanima znanje o Univerzumu? Ali vrlo je vjerovatno da je većina običnih ljudi koji se ne bave naučnim istraživanjima zabrinuti za dostignuća savremenih naučnika u oblasti proučavanja Univerzuma samo u vezi s jednim problemom – da li je naš Univerzum konačan, i ako jeste, kada očekivati univerzalna smrt? Međutim, takva pitanja ne zanimaju samo obične ljude: već skoro vek i po, naučnici se takođe raspravljaju o ovoj temi, raspravljajući o teoriji toplotne smrti svemira.

Da li povećanje energije dovodi do smrti?

Zapravo, teorija toplotne smrti Univerzuma logično slijedi iz termodinamike i prije ili kasnije je morala biti izražena. Ali to je izraženo u ranoj fazi moderne nauke, sredinom 19. veka. Njegova suština je zapamtiti osnovne koncepte i zakone Univerzuma i primijeniti ih na sam Univerzum i na procese koji se u njemu odvijaju. Dakle, sa stanovišta klasične termodinamike, Univerzum se može posmatrati kao zatvoreni termodinamički sistem, odnosno sistem koji ne razmenjuje energiju sa drugim sistemima.

Nema razloga vjerovati, tvrde pristalice teorije toplotne smrti, da Univerzum može razmjenjivati energiju sa bilo kojim sistemom izvan njega, budući da nema dokaza da postoji nešto drugo osim Univerzuma. Zatim na Univerzum, kao i na svaki zatvoreni termodinamički sistem, važi drugi zakon termodinamike, koji je jedan od glavnih postulata modernog naučnog pogleda na svet. Drugi zakon termodinamike kaže da zatvoreni termodinamički sistemi teže najvjerovatnijem ravnotežnom stanju, odnosno stanju sa maksimalnom entropijom. U slučaju Univerzuma, to znači da je u nedostatku "kanala za izlaz" energije najvjerovatnije stanje ravnoteže stanje transformacije svih vrsta energije u toplinu. A to znači ravnomjernu distribuciju toplinske energije kroz materiju, nakon čega će svi poznati makroskopski procesi u Univerzumu prestati, Univerzum će izgledati paraliziran, što će, naravno, dovesti do prestanka života.

Univerzumu nije tako lako umrijeti toplotnom smrću

Međutim, uobičajeno mišljenje da su svi naučnici pesimisti i da imaju tendenciju da razmatraju samo najnepovoljnije opcije je nepravedno. Čim je formulisana teorija o toplotnoj smrti Univerzuma, naučna zajednica je odmah počela da traži argumente da je opovrgne. A argumenti su pronađeni u velikom broju. Prije svega, a prvo od njih bilo je mišljenje da se Univerzum ne može posmatrati kao sistem koji je sposoban da bude u stanju ravnoteže cijelo vrijeme. Čak i uzimajući u obzir drugi zakon termodinamike, Univerzum generalno može dostići ravnotežno stanje, ali njegovi pojedinačni dijelovi mogu doživjeti fluktuacije, odnosno neke emisije energije. Ove fluktuacije ne dozvoljavaju da se pokrene proces pretvaranja svih vrsta energije u isključivo toplotnu energiju.

Drugo mišljenje koje se suprotstavlja teoriji toplotne smrti ukazuje na sljedeću okolnost: da je drugi zakon termodinamike zaista primjenjiv na Univerzum u apsolutnom stepenu, tada bi toplotna smrt nastupila davno. Budući da ako Univerzum postoji neograničeno vrijeme, tada je energija akumulirana u njemu već trebala biti dovoljna za toplinsku smrt. Ali ako još uvijek nema dovoljno energije, onda je Univerzum nestabilan sistem u razvoju, odnosno širi se. Shodno tome, u ovom slučaju to ne može biti zatvoreni termodinamički sistem, jer on troši energiju na sopstveni razvoj i širenje.

Konačno, moderna nauka osporava teoriju toplotne smrti Univerzuma sa drugih pozicija. Prva je opšta teorija relativnosti. , prema kojoj je Univerzum sistem koji se nalazi u promjenljivom gravitacionom polju. Iz ovoga proizilazi da je nestabilan i zakon povećanja entropije, odnosno da je uspostavljanje ravnotežnog stanja Univerzuma nemoguće. Na kraju, današnji naučnici se slažu da je poznavanje Univerzuma čovečanstva nedovoljno da se nedvosmisleno kaže da je reč o zatvorenom termodinamičkom sistemu, odnosno da nema kontakta sa nekim spoljnim sistemima. Stoga još nije moguće konačno potvrditi ili opovrgnuti teoriju toplotne smrti Univerzuma.

Alexander Babitsky

MINISTARSTVO PROSVETE I NAUKE RUJSKE FEDERACIJE

Državna obrazovna ustanova

Visoko stručno obrazovanje

Ruski državni trgovinsko-ekonomski univerzitet

UFIMSKY INSTITUTE

Pravni fakultet i učenje na daljinu

Učenje na daljinu (5,5 godina)

Specijalnost "Računovodstvena analiza i revizija"

Rad na kursu

Predmet: Koncepti savremene prirodne nauke

Prezime: Sitdikova

Ime: Elvira

Srednje ime: Zakievna

Kontrolni rad poslat na univerzitet

Prezime nastavnika: Khamidullin Yavdat Nakipovich

Uvod

1.1 Pojava ideje T.S.V.

2. Zakon povećanja entropije

2.2 Mogućnost entropije u Univerzumu

3. Toplotna smrt Univerzuma u naučnoj slici svijeta

3.1 Termodinamički paradoks

3.2 Termodinamički paradoks u relativističkim kosmološkim modelima

3.3 Termodinamički paradoks u kosmologiji i postneklasičnoj slici svijeta

Zaključak

Književnost

Uvod

Toplotna smrt Univerzuma (T.S.V.) je zaključak da se sve vrste energije u Univerzumu na kraju moraju pretvoriti u energiju toplotnog kretanja, koja će biti ravnomjerno raspoređena po tvari Univerzuma, nakon čega će se svi makroskopski procesi zaustaviti u to. Ovaj zaključak je formulisao R. Clausius (1865) na osnovu drugog zakona termodinamike. Prema drugom zakonu, svaki fizički sistem koji ne razmjenjuje energiju sa drugim sistemima (takva je razmjena očito isključena za Univerzum u cjelini) teži najvjerovatnijem stanju ravnoteže - takozvanom stanju sa maksimalnom entropijom. Takvo stanje bi odgovaralo T.S.V. Čak i prije stvaranja moderne kosmologije, činjeni su brojni pokušaji da se opovrgne zaključak o T. S. W. Najpoznatija od njih je hipoteza fluktuacije L. Boltzmanna (1872), prema kojoj je Univerzum vječno u ravnotežnom izotermnom stanju, ali prema zakonu slučajnosti, ponekad na jednom, pa na drugom mjestu, odstupaju od ovog stanje se ponekad javlja; javljaju se rjeđe, što je veća zahvaćena površina i veći je stepen odstupanja. Moderna kosmologija je utvrdila da ne samo da je zaključak o T.S.V.-u pogrešan, već su pogrešni i rani pokušaji da se on opovrgne. To je zbog činjenice da značajni fizički faktori i prije svega gravitacija nisu uzeti u obzir. Uzimajući u obzir gravitaciju, homogena izotermna distribucija materije nikako nije najvjerovatnija i ne odgovara entropijskom maksimumu. Zapažanja pokazuju da je Univerzum izrazito nestacionaran. Širi se, a supstanca, gotovo homogena na početku širenja, kasnije se pod uticajem gravitacionih sila raspada na zasebne objekte, formiraju se jata galaksija, galaksija, zvijezda i planeta. Svi ovi procesi su prirodni, idu s rastom entropije i ne zahtijevaju kršenje zakona termodinamike. Čak ni u budućnosti, uzimajući u obzir gravitaciju, neće dovesti do homogenog izotermnog stanja Univerzuma - do T.S.V. Univerzum je uvijek nestatičan i stalno se razvija. Termodinamički paradoks u kosmologiji, formulisan u drugoj polovini 19. veka, od tada neprekidno uzbuđuje naučnu zajednicu. Činjenica je da se dotakao najdubljih struktura naučne slike svijeta. Iako su brojni pokušaji da se razriješi ovaj paradoks uvijek vodili samo djelomičnim uspjesima, oni su generirali nove, netrivijalne fizičke ideje, modele i teorije. Termodinamički paradoks je nepresušan izvor novih naučnih saznanja. Istovremeno, pokazalo se da je njegovo formiranje u nauci isprepleteno s puno predrasuda i potpuno pogrešnih tumačenja. Potreban nam je novi pogled na ovaj naizgled dobro proučen problem, koji u post-neklasičnoj nauci dobija nekonvencionalno značenje.

1. Ideja o toplotnoj smrti Univerzuma

1.1 Pojava ideje T.S.V.

Prijetnja termičke smrti Univerzuma, kao što smo ranije rekli, izražena je sredinom devetnaestog vijeka. Thomson i Clausius, kada je formuliran zakon povećanja entropije u ireverzibilnim procesima. Toplotna smrt je takvo stanje materije i energije u Univerzumu kada su nestali gradijenti parametara koji ih karakterišu. Razvoj principa ireverzibilnosti, principa povećanja entropije, sastojao se u proširenju ovog principa na Univerzum kao celinu, što je uradio Klauzije.

Dakle, prema drugom zakonu, svi fizički procesi se odvijaju u smjeru prijenosa topline sa toplijih tijela na manje vruća, što znači da se proces izjednačavanja temperature u Univerzumu polako ali sigurno odvija. Posljedično, u budućnosti se očekuje nestanak temperaturnih razlika i transformacija cjelokupne svjetske energije u toplinsku energiju, ravnomjerno raspoređenu u Univerzumu. Clausiusov zaključak je bio sljedeći:

1. Energija svijeta je konstantna

2. Entropija svijeta teži maksimumu.

Dakle, termička smrt Univerzuma znači potpuni prekid svih fizičkih procesa zbog prelaska Univerzuma u ravnotežno stanje sa maksimalnom entropijom.

Boltzmann, koji je otkrio vezu između entropije S i statističke težine P, vjerovao je da je trenutno nehomogeno stanje Univerzuma grandiozna fluktuacija*, iako je vjerovatnoća njenog nastanka zanemarljiva. Boltzmannovi savremenici nisu prepoznali njegove stavove, što je dovelo do oštrih kritika njegovog rada i, očigledno, dovelo do Boltzmannove bolesti i samoubistva 1906.

Okrećući se izvornim formulacijama ideje o toplinskoj smrti Univerzuma, može se vidjeti da one ne odgovaraju u svim aspektima njihovim dobro poznatim interpretacijama, kroz čiju prizmu ove formulacije obično percipiramo. Uobičajeno je govoriti o teoriji toplotne smrti ili termodinamičkom paradoksu W. Thomsona i R. Clausiusa.

Ali, prvo, odgovarajuća razmišljanja ovih autora se ne poklapaju u svemu, a drugo, izjave u nastavku ne sadrže ni teoriju ni paradoks.

W. Thomson, analizirajući opću tendenciju raspršivanja mehaničke energije koja se manifestira u prirodi, nije je proširio na svijet u cjelini. On je ekstrapolirao princip povećanja entropije samo na procese velikih razmjera koji se dešavaju u prirodi. Naprotiv, Klauzije je predložio ekstrapolaciju ovog principa upravo na Univerzum kao celinu, koji je za njega delovao kao sveobuhvatni fizički sistem. Prema Klauzijusu, "opšte stanje Univerzuma mora se sve više menjati" u pravcu određenom principom povećanja entropije i, stoga, ovo stanje mora neprekidno da se približava određenom graničnom stanju. Njutn je možda prvi put identifikovao termodinamički aspekt u kosmologiji. Upravo je on primijetio efekat "trenja" u satnom mehanizmu svemira - trend koji je sredinom XIX vijeka. naziva se povećanjem entropije. U duhu svog vremena, Newton je pozvao u pomoć Gospoda Boga. Sir Isaac je njega imenovao da nadgleda navijanje i popravku ovih "satova".

U okviru kosmologije, termodinamički paradoks je prepoznat sredinom 19. veka. Rasprava o paradoksu dovela je do niza briljantnih ideja od širokog naučnog značaja („Šredingerovo“ objašnjenje L. Boltzmanna o „antientropiji“ života; njegovo uvođenje fluktuacija u termodinamiku, čije su fundamentalne posledice u fizici nisu iscrpljene do sada; njegova vlastita grandiozna kosmološka hipoteza fluktuacije, izvan konceptualnog okvira koji fizika u problemu "termalne smrti" Univerzuma još nije izašla; duboka i inovativna, ali ipak povijesno ograničena interpretacija fluktuacije Drugi početak.

1.2 Pogled na T.S.W. iz dvadesetog veka

Sadašnje stanje nauke takođe nije u skladu sa pretpostavkom o toplotnoj smrti Univerzuma. Prije svega, ovaj zaključak je relevantan za izolovani sistem i nije jasno zašto se Univerzum može pripisati takvim sistemima.

U Univerzumu postoji gravitacijsko polje koje Boltzmann nije uzeo u obzir, a ono je odgovorno za pojavu zvijezda i galaksija: gravitacijske sile mogu dovesti do stvaranja strukture iz haosa, mogu dovesti do zvijezda iz kosmičkog prašina. Dalji razvoj termodinamike i s njim ideja T.S.V. Tokom 19. veka formulisane su glavne odredbe (početci) termodinamike izolovanih sistema. U prvoj polovini 20. stoljeća termodinamika se razvijala uglavnom ne u dubinu, već u širinu, nastali su njeni različiti dijelovi: tehnički, kemijski, fizički, biološki itd. termodinamika. Tek 1940-ih pojavili su se radovi o termodinamici otvorenih sistema blizu tačke ravnoteže, a 1980-ih se pojavila sinergija. Ovo poslednje se može tumačiti kao termodinamika otvorenih sistema daleko od tačke ravnoteže. Dakle, moderna prirodna nauka odbacuje koncept "termalne smrti" u odnosu na Univerzum u cjelini. Činjenica je da je Clausius u svom rasuđivanju pribjegavao sljedećim ekstrapolacijama:

1. Univerzum se smatra zatvorenim sistemom.

2. Evolucija svijeta može se opisati kao promjena njegovih stanja.

entropija univerzuma toplotne smrti

Za svijet u cjelini stanje sa maksimalnom entropijom, ovo ima smisla, kao i za bilo koji konačni sistem. Ali legitimnost ovih ekstrapolacija sama po sebi je vrlo sumnjiva, iako problemi povezani s njima predstavljaju poteškoće i za modernu fizičku nauku.