Dom › djeca › Toplinska smrt svemira. Suočavamo li se s toplinskom smrću svemira? Era crnih rupa

Toplinska smrt svemira. Suočavamo li se s toplinskom smrću svemira? Era crnih rupa

Pokušao je proširiti zakone termodinamike na svemir kao cjelinu R. Clausius koji je iznio sljedeće postulate.

- Energija Svemira je uvijek konstantna, odnosno Svemir je zatvoreni sustav.

- Entropija svemira uvijek raste.

Ako prihvatimo drugi postulat, onda moramo priznati da su svi procesi u Svemiru usmjereni na postizanje stanja termodinamičke ravnoteže koju karakterizira maksimum entropije, što znači najveći stupanj kaotičnosti, neorganiziranosti, energetskog uravnoteženja. U ovom slučaju, svemir će toplinska smrt i u njemu se neće proizvesti nikakav koristan rad, nikakvi novi procesi ili formacije (zvijezde neće sjati, nove zvijezde i planeti će nastati, evolucija svemira će se zaustaviti).

Mnogi znanstvenici nisu se složili s ovom sumornom perspektivom, sugerirajući da se uz entropijske procese u Svemiru moraju odvijati i antientropijski procesi koji sprječavaju toplinsku smrt Svemira.

Među tim znanstvenicima bio je i L. Boltzmann, koji je to predložio za mali broj čestica ne bi trebao vrijediti drugi zakon termodinamike , jer se u ovom slučaju ne može govoriti o stanju ravnoteže sustava. Istovremeno, naš dio Svemira treba promatrati kao mali dio beskonačnog Svemira. A za tako malo područje dopuštena su mala fluktuacijska (slučajna) odstupanja od opće ravnoteže, zbog čega u pravilu nestaje ireverzibilna evolucija našeg dijela Svemira prema kaosu. Postoje relativno mala područja u svemiru, reda našeg zvjezdanog sustava, koja značajno odstupaju od toplinske ravnoteže tijekom relativno kratkih vremenskih razdoblja. U tim područjima se odvija evolucija, odnosno razvoj, poboljšanje, kršenje simetrije.

Sredinom dvadesetog stoljeća pojavila se nova neravnotežna termodinamika, odn. termodinamika otvorenih sustava , ili sinergija gdje je mjesto zatvorenog izoliranog sustava preuzeo temeljni koncept otvorenog sustava. Utemeljitelji te nove nauke bili su I.R.Prigozhin(1917.-2004.) i G. Haken (1927).

otvoreni sustav- sustav koji izmjenjuje materiju, energiju ili informaciju s okolinom.

Otvoreni sustav također proizvodi entropiju, kao i zatvoreni, no za razliku od zatvorenog, ta se entropija u otvorenom sustavu ne akumulira, već se ispušta u okolinu. Iskorištena otpadna energija (energija slabije kvalitete - toplinska na niskim temperaturama) rasipa se u okoliš, a umjesto nje iz okoliša se izdvaja nova energija (visoke kvalitete, sposobna prelaziti iz jednog oblika u drugi), sposobna proizvesti korisne raditi.

Nastala za ove svrhe materijalne strukture koje mogu raspršiti iskorištenu energiju i apsorbirati svježu energiju nazivaju se disipativne . Kao rezultat te interakcije, sustav izvlači red iz okoline, dok istovremeno u tu okolinu unosi nered. Dolaskom nove energije, materije ili informacije povećava se neravnoteža u sustavu. Ruši se prijašnji odnos između elemenata sustava koji je određivao njegovu strukturu. Između elemenata sustava nastaju nove veze koje dovode do kooperativnih procesa, odnosno do zajedničkog ponašanja elemenata. Tako se shematski mogu opisati procesi samoorganizacije u otvorenim sustavima.

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

Proučavajući procese koji se odvijaju u laseru, njemački fizičar G. Haken (r.1927) imenovao novi smjer sinergetika, što na starogrčkom znači “zajedničko djelovanje”, “međudjelovanje”.

Drugi dobro poznati primjer samoorganizacije su kemijske reakcije koje je proučavao I. Prigozhin. Samoorganizacija u tim reakcijama povezana je s ulaskom u sustav izvana tvari koje osiguravaju te reakcije (reagensi), s jedne strane, i uklanjanje produkata reakcije u okoliš, s druge strane. Izvana se takva samoorganizacija može očitovati u obliku povremeno pojavljivanja koncentričnih valova ili u periodičnoj promjeni boje reakcijske otopine. Sličnu kemijsku reakciju dobio je i proučavao poznati belgijski kemičar ruskog podrijetla I.R.Prigozhin. Prigožin je svoju kemijsku reakciju nazvao "Brusselator" u čast grada Bruxellesa, gdje je Prigogine živio i radio i gdje je ova reakcija prvi put izvedena.

Evo kako je sam Prigožin o tome napisao: “Pretpostavimo da imamo dvije vrste molekula: “crvene” i “plave”. Zbog kaotičnog kretanja molekula, moglo bi se očekivati da će u nekom trenutku biti više “crvenih” molekula na lijevoj strani posude, au sljedećem trenutku će biti više “plavih” molekula, i tako dalje. Boju smjese teško je opisati: ljubičasta s nasumičnim prijelazima u plavu i crvenu. Gledajući na kemijski sat vidjet ćemo drugačiju sliku: cijela reakcijska smjesa će imati plavu boju, zatim će se njezina boja naglo promijeniti u crvenu, zatim opet u plavu i tako dalje. Promjena boje događa se u redovitim intervalima. Da bi istovremeno promijenile svoju boju, molekule moraju na neki način održavati međusobnu vezu. Sustav se mora ponašati kao cjelina” (Prigožin I., Stengers I. Red iz kaosa. M., 1986. P.202-203).

Naravno, nema i ne može biti "dogovora" između molekula u doslovnom smislu te riječi. Činjenica je da su u određenom trenutku sve molekule počele vibrirati u jednoj fazi - plavoj, a zatim je cijela smjesa dobila plavu boju. Nakon određenog vremena molekule su počele vibrirati u drugoj fazi - crvenoj fazi, a zatim je cijela smjesa pocrvenjela itd., sve dok djelovanje reagensa nije prestalo.

Uzmimo drugi primjer. Ako uzmemo prozirni cirkuski bubanj s plavim i crvenim kuglicama i počnemo ga okretati na određenoj frekvenciji - frekvenciji crvene boje, tada ćemo, kao i u slučaju molekula, ustanoviti da su sve kuglice pocrvenjele. Ako promijenimo brzinu bubnja na odgovarajuću plavu valnu duljinu, vidjet ćemo da kuglice postaju plave itd.

Najilustrativniji primjer samoorganiziranja je Benardove stanice . To su male šesterokutne strukture koje se mogu, primjerice, formirati u sloju maslaca na tavi uz odgovarajuću temperaturnu razliku. Čim se temperaturni režim promijeni, stanice se raspadaju.

Dakle, da bi se nova struktura spontano posložila, potrebno je postaviti odgovarajuće parametre okoline.

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

Opcije narudžbe- ovo je "odgovor" sustava na promjenu parametara upravljanja (restrukturiranje sustava).

Očito je da proces samoorganizacije ne može započeti u bilo kojem sustavu i ni pod kojim uvjetima. Razmotrimo uvjete pod kojima može započeti proces samoorganizacije.

Nužni uvjeti za nastanak samoorganizacije u različitim sustavima su sljedeći:

1. Sustav mora biti otvorena , jer zatvoreni sustav, u konačnici, mora doći u stanje maksimalnog nereda, kaosa, neorganiziranosti sukladno 2. zakonu termodinamike;

2. Otvorite sustav mora biti dovoljno udaljen od točke termodinamičke ravnoteže . Ako je sustav već blizu ove točke, onda će joj se neizbježno približiti i na kraju doći u stanje potpunog kaosa i neorganiziranosti. Jer točka termodinamičke ravnoteže je jak atraktor;

3. Temeljno načelo samoorganizacije je " nastanak reda kroz fluktuacije" (I.Prigožin). fluktuacije ili slučajna odstupanja sustava od nekog prosječnog položaja na početku sustav potiskuje i eliminira. Međutim, u otvorenim sustavima, zbog jačanja neravnoteže, ta se odstupanja s vremenom povećavaju, pojačavaju i na kraju dovode do “labavljenja” dotadašnjeg reda, do kaosa sustava. U stanju nestabilnosti, nestabilnosti, sustav će biti posebno osjetljiv na početne uvjete, osjetljiv na fluktuacije. U tom se trenutku neka fluktuacija prelama s makrorazine sustava na njegovu mikrorazinu i odabire daljnji put razvoja sustava, njegovo daljnje restrukturiranje. U osnovi je nemoguće predvidjeti kako će se sustav ponašati u stanju nestabilnosti, kakav će mu biti izbor. Ovaj proces je karakteriziran kao princip "nastajanja reda kroz fluktuacije". Fluktuacije su slučajne. Stoga postaje jasno da je pojava nečeg novog u svijetu povezana s djelovanjem slučajnih čimbenika.

Na primjer, totalitarno društvo u Sovjetskom Savezu bilo je čvrsta društvena struktura. Međutim, informacije koje dolaze iz inozemstva o životu drugih društava, trgovini (razmjeni dobara) itd. počela izazivati devijacije u totalitarnom društvu u vidu slobodoumlja, nezadovoljstva, neslaganja i sl. U početku je struktura totalitarnog društva mogla suzbiti ta kolebanja, ali su ona postajala sve veća, a njihova snaga rasla, što je dovelo do labavljenja i urušavanja stare totalitarne strukture i njezine zamjene novom.

I još jedan komičan primjer: Priča o repi. Djed je sadio repu. Narasla je velika repa. Vrijeme je da je izvučemo iz zemlje. Djed je vukao i vukao repu, ali je nije mogao iščupati. Naš sustav repa je još uvijek previše stabilan. Djed je pozvao baku u pomoć. Vukli su, vukli zajedno repu, ali je nikako nisu mogli izvući. Fluktuacije koje olabave repu sve su jače, ali još uvijek nisu dovoljne da unište sustav (repu). Zvali su unuku, ali ni oni nisu iščupali repu. Zatim su psa zvali Buba, a na kraju su pozvali i miša. Čini se da bi se miš mogao potruditi, ali to je bila "posljednja kap", koja je dovela do kvalitativno nove promjene u sustavu - 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 temelji se na Pozitivna ocjena . Prema principu pozitivne povratne sprege, promjene koje se javljaju u sustavu se ne eliminiraju, već se pojačavaju, akumuliraju, što u konačnici dovodi do destabilizacije, labavljenja stare strukture i njezine zamjene novom;

5. Prate se procesi samoorganizacije narušavanje simetrije . Simetrija znači stabilnost, nepromjenjivost. Samoorganizacija, pak, podrazumijeva asimetriju, odnosno razvoj, evoluciju;

6. Samoorganizacija može započeti samo u velikim sustavima koji imaju dovoljan broj elemenata koji međusobno djeluju (10 10 -10 14 elemenata), odnosno u sustavima koji imaju nekoliko kritični parametri . Za svaki specifični samoorganizirajući sustav ti kritični parametri su različiti.

Predavanje broj 14. Osnovni pojmovi sinergetike. Sposobnost upravljanja sinergijskim sustavima.

Eksplozivni, katastrofalni procesi poznati su čovječanstvu odavno. Recimo, osoba koja putuje planinama zna, na temelju svog empirijskog iskustva, da se planinska lavina može srušiti iznenada, gotovo od daška vjetra ili neuspješnog koraka.

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

Svatko od nas može se prisjetiti određenih situacija izbora koje su stajale na životnom putu, au odlučujućim životnim trenucima pred nama se otvaralo nekoliko prilika. Svi smo uključeni u mehanizme, gdje u kritičnom trenutku, trenutku prekretnice, odlučujući izbor određuje slučajan događaj. Dakle, lavinski procesi, društvene kataklizme i preokreti, kritične situacije izbora na životnom putu svake osobe... Je li moguće izvući jednu znanstvenu osnovu za sve te naizgled različite činjenice? Tijekom proteklih 30 godina postavljeni su temelji za takav univerzalni znanstveni model, tzv sinergija.

Kao što smo vidjeli, sinergetika se temelji na idejama sustavan, holistički pristup svijetu nelinearnost (tj. mnogo varijacija), nepovratnost , duboko odnos između kaosa i reda . Sinergetika nam daje sliku složeni svijet , koji nije postao, ali postajanje ne samo postojeće, nego kontinuirano nastaju . Ovaj svijet se razvija nelinearni zakoni , pun je neočekivano , nepredvidiv okreće se, vezano uz izbor daljnjeg razvojnog puta.

Predmet sinergetike su mehanizmi samoorganizacije . To su mehanizmi formiranja i razaranja struktura, mehanizmi koji osiguravaju prijelaz iz kaosa u red i obrnuto. Ti mehanizmi ne ovise o specifičnoj prirodi elemenata sustava. One su svojstvene neživom svijetu i prirodi, čovjeku i društvu. Sinergetika se stoga smatra interdisciplinarnim područjem znanstvenih istraživanja.

Sinergetika, kao i svaka druga znanost, ima svoj jezik, svoj sustav pojmova. To su koncepti kao što su "atraktor", "bifurkacija", "fraktalni objekt", "deterministički kaos" i drugi. Ovi pojmovi trebali bi postati dostupni svakom obrazovanom čovjeku, tim više što mogu pronaći odgovarajuće analogije u znanosti i kulturi.

Osnovni pojmovi sinergetike su pojmovi "kaos" i "red".

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

Kaos- skup elemenata između kojih nema stabilnih odnosa koji se ponavljaju. Na primjer, gomila ljudi koji trče u panici.

Koncept "atraktora" blizu pojma ciljevi. Taj se koncept može otkriti kao svrhovitost, kao smjer ponašanja sustava, kao njegovo stabilno relativno konačno stanje. U sinergiji atraktor se shvaća kao relativno stabilno stanje sustava koje, takoreći, privlači raznolikost putanja sustava određena različitim početnim uvjetima. Ako sustav padne u stožac atraktora, tada neizbježno evoluira u ovo relativno stabilno stanje. Na primjer, bez obzira na početni položaj lopte, ona će se otkotrljati na dno jame. Stanje mirovanja lopte na dnu jame je atraktor gibanja lopte.

Atraktori podijeljeno na jednostavan i čudno .

Jednostavan atraktor(atraktor) je granično stanje reda. Sustav gradi red i poboljšava ga ne do beskonačnosti, već do razine koju određuje jednostavni atraktor.

čudan atraktor je granično stanje kaotizacije sustava. Sustav je kaotičan, raspada se također, ali ne u beskonačnost, već do razine koju određuje čudan atraktor.

koncept bifurkacija u prijevodu s engleskog znači vilica s dva zupca - befork. Obično ne govore o samoj bifurkaciji, već o bifurkacijske točke . Sinergijski smisao bifurkacijske točke je - ovo je točka grananja mogućih evolucijskih putova sustava .Prolazeći kroz točke grananja, savršen izbor zatvara druge putove i tako čini evolucijski proces nepovratnim. .

Nelinearni sustav može se definirati kao sustav koji sadrži bifurkacije.

Vrlo važno za sinergiju je nelinearnost . Pod, ispod nelinearnost razumjeti:

1. Mogućnost izbora načina razvoja sustava (podrazumijeva se da sustav nema jedan način razvoja, već više);

2. Nesumjerljivost našeg utjecaja na sustav i u njemu dobivenog rezultata. Po poslovici, “miš će roditi planinu”.

Ono što se u sinergiji zove "bifurkacija ” ima duboke analogije u kulturi. Kada vitez iz bajke stoji, razmišljajući kraj kamena krajputaša na račvanju puteva i odabirom puta odredit će njegovu buduću sudbinu, onda je to u biti vizualno-figurativni prikaz bifurkacije u čovjekovom životu. Evolucija bioloških vrsta, predstavljena kao evolucijsko stablo , zorno ilustrira razgranate staze evolucije žive prirode.

> Toplinska smrt

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

Entropija svemira neprestano raste. Njegov cilj je termodinamička ravnoteža, koja će dovesti do toplinska smrt.

Zadatak učenja

Razmotrimo procese koji dovode do problema toplinske smrti svemira.

Ključne točke

U ranom svemiru, sva materija i energija bile su lako zamjenjive i identične po prirodi.
S rastom entropije sve je manje energije otvaralo rad.
Svemir teži termodinamičkoj ravnoteži – maksimalnoj entropiji. Ovo je toplinska smrt i kraj aktivnosti svega.

Pojmovi

Asteroid je prirodno čvrsto tijelo, manje veličine od planeta i ne ponaša se kao komet.
Entropija je mjera raspodjele uniformne energije u sustavu.
Geotermalna – odnosi se na toplinsku energiju koja dolazi iz dubokih ležišta u zemlji.

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

Prostor je evoluirao, a pojavile su se i temperaturne razlike koje stvaraju više mogućnosti za rad. Zvijezde u zagrijavanju nadmašuju planete, koji su ispred asteroida, a oni su topliji 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 karta svemira.

Ovo je vrlo mlad Svemir s fluktuacijama temperature (istaknute bojama), koje odgovaraju zrncima koja su postala galaksije

Što je veća entropija, to je manje energije otišlo u rad. Zemlja ima velike zalihe energije (fosili i nuklearna goriva), ogromne temperaturne razlike (energija vjetra), geotermalnu energiju zbog razlike u temperaturnim oznakama zemljinih slojeva i plimnu energiju vode. Ali dio njihove energije nikada neće proraditi. Zbog toga će sve vrste goriva biti iscrpljene, a temperature će se izjednačiti.

Svemir se doživljava kao zatvoreni sustav, pa prostorna entropija uvijek raste, a količina energije raspoložive za rad se smanjuje. Na kraju, kada sve zvijezde eksplodiraju, svi oblici potencijalne energije budu potrošeni, a temperature se izjednače, rad postaje jednostavno nemoguć.

Naš Svemir teži termodinamičkoj ravnoteži (maksimalnoj entropiji). Često se ovaj scenarij naziva toplinska smrt - prestanak svih aktivnosti. Ali prostor se nastavlja širiti i kraj je još predaleko. Uz pomoć izračuna crnih rupa, pokazalo se da će se entropija nastaviti još 10.100 godina.

Drugi zakon (početak) termodinamike kaže da unutarnja energija topline (toplina) ne može samostalno prelaziti s manje zagrijanog na jače zagrijani objekt.

Kao rezultat drugog zakona termodinamike, svaki fizički sustav koji ne izmjenjuje energiju s drugim sustavima teži najvjerojatnijem stanju ravnoteže - stanju s najvećom entropijom (vrijednost koja karakterizira stupanj nereda i toplinsko stanje fizički sustav). Ovaj zakon prvi je opisao Sadi Carnot 1824. Kao posljedica toga, William Kelvin je već 1852. godine predložio hipotezu o budućoj "toplinskoj smrti Zemlje" tijekom procesa hlađenja našeg planeta do beživotnog stanja. Godine 1865. Rudolf Clausius proširio je ovu hipotezu na cijeli svemir.

Godine 1872. austrijski fizičar Ludwig Boltzmann pokušao je kvantificirati entropiju pomoću formule S = k * ln W (gdje je S entropija, k Boltzmannova konstanta, W broj mikrostanja koja ostvaruju makrostanje. Mikrostanje je stanje pojedine komponente sustava i makrostanje — stanje sustava kao cjeline.

Još veći dokaz valjanosti hipoteze bilo je otkriće toplinskog zračenja Svemira koje je nastalo tijekom rekombinacije (spajanja protona i elektrona u atome) primarnog vodika, što se dogodilo nakon 379 tisuća godina. Proces rekombinacije odvija se na temperaturama od 3 tisuće Kelvina, dok je trenutna temperatura kozmičkog mikrovalnog pozadinskog zračenja, određena iz njegovog maksimuma, samo 2,7 Kelvina. Studija CMB-a pokazala je da je izotropan (ujednačen) za bilo koji smjer na nebu na razini od 99,999%.

Astronomska promatranja omogućuju vam izgradnju tzv. Madau-dijagram, koji pokazuje ovisnost brzine stvaranja zvijezda o .

Proučavanje statistike kvazara (jezgri aktivnih galaksija) omogućuje neovisnu procjenu brzine stvaranja zvijezda. Istraživanje 2DF provedeno 1997.-2002. na australskom teleskopu AAT proučavalo je oko 10.000 kvazara na području neba od 1,5 tisuća kvadratnih stupnjeva u područjima oba galaktička pola.

Još jedan dokaz točnosti teorije o budućoj “toplinskoj smrti svemira” bila su istraživanja nuklearne fizike koja su pokazala da se energija vezanja nukleona (protona i neutrona) u jezgri povećava kako se njihov broj u jezgri većine kemijskih elemenata povećava.

Posljedica te ovisnosti bila je da reakcije termonuklearne fuzije koje uključuju lakše kemijske elemente (primjerice vodik i helij) dovode do oslobađanja puno više energije u unutrašnjosti zvijezda nego termonuklearne reakcije koje uključuju teže kemijske elemente. Osim toga, teorijske studije krajem 20. stoljeća sugerirale su da one nisu vječne, već postupno isparavaju pod djelovanjem (hipotetskog zračenja crnih rupa, koje se uglavnom sastoji od fotona).

Argumenti protiv hipoteze o “toplinskoj smrti” svemira

Sumnje u valjanost hipoteze o neizbježnoj "toplinskoj smrti svemira" u budućnosti mogu se podijeliti u nekoliko točaka (vidi ilustraciju teorije o velikom rascjepu svemira).

Postoji neizvjesnost u predviđanju budućih promjena u volumenu našeg svemira. Postoji i teorija o velikom rascjepu svemira (ubrzano širenje svemira u beskonačnost), i teorija o velikom sažimanju svemira (u budućnosti će se svemir početi smanjivati). Nesigurnost između ovih opcija uzrokovana je nedavnim otkrićima tajanstvene tamne tvari i energije.

Postoji neizvjesnost o broju postojećih svemira i mogućnosti komunikacije među njima. S jedne strane, fotometrijski paradoks (Szezo-Olbersov paradoks) tamnog neba govori o konačnosti veličine i starosti našeg Svemira, kao i o nepostojanju njegove povezanosti s drugim Svemirima.

S druge strane, iz načela prosječnosti (kopernikanskog načela) proizlazi da naš svemir nije jedinstven i da mora postojati beskonačan broj drugih svemira s različitim skupom fizičkih konstanti. Osim toga, moderna fizika priznaje postojanje prostorno-vremenskih tunela (crvotočina) između različitih svemira.

Kada se obična tvar hladi (njezin prijelaz u čvrsto stanje), njezina entropija se ne povećava, već se smanjuje:

Ključne točke teorije o “toplinskoj smrti” Svemira su mogućnost raspada protona i postojanje “Hawkingovog zračenja”, ali ti hipotetski fenomeni još nisu eksperimentalno dokazani.

Postoji velika neizvjesnost o utjecaju života i inteligencije na dinamiku entropije Svemira. U pitanju utjecaja neinteligentnih oblika života na entropiju svemira, malo je sumnje da život smanjuje entropiju. Kao dokaz za to možemo navesti činjenice o složenijoj prirodi živih organizama u odnosu na bilo koje anorganske kemikalije. Površina našeg planeta zahvaljujući biosferi izgleda mnogo raznolikija u usporedbi s "mrtvom" površinom, ili . Osim toga, najjednostavniji živi organizmi vidljivi su u aktivnosti obogaćivanja zemljine atmosfere kisikom (biogeni kisik), kao i stvaranju bogatih mineralnih naslaga (biogeneza).

Pritom ostaje neodgovoreno pitanje: povećava li inteligentni život (odnosno čovjek) entropiju Svemira ili smanjuje? S jedne strane, ljudski je mozak najsloženiji poznati oblik među živim organizmima, kao i činjenica da je znanstveni i tehnološki napredak omogućio ljudima da dosegnu neviđene visine u znanju i dizajnu, uključujući sintezu kemijskih elemenata i elementarnih čestica. koje nema u prirodi.. Suvremena ljudska civilizacija sposobna je spriječiti velike prirodne katastrofe (šumski požari, poplave, masovne epidemije itd.) i na korak je od mogućnosti sprječavanja planetarnih katastrofa (pad malih asteroida i kometa).

S druge strane, ljudsku civilizaciju također odlikuju “entropijske” tendencije. Razorna moć arsenala oružja raste zajedno s porastom broja opasnih kemijskih i nuklearnih industrija, rudarska industrija u samo nekoliko desetljeća može uništiti mineralne naslage koje su se gomilale na planetu stotinama milijuna godina. Razvoj poljoprivrede doveo je do krčenja šuma na velikom dijelu površine našeg planeta, a također pridonosi degradaciji i zaplitanju tla. Krivolov, emisije stakleničkih plinova (moguće zakiseljavanje oceana), itd. rapidno smanjuju bioraznolikost našeg planeta, u vezi s čime ekolozi današnje vrijeme svrstavaju u novo masovno izumiranje. Osim toga, posljednjih desetljeća, došlo je do snažnog pada nataliteta u najrazvijenijim zemljama, moguće je da je ovakva demografska situacija rezultat pretjeranog usložnjavanja života ljudske civilizacije.

U vezi sa svim ovim trendovima, bliska budućnost ljudske civilizacije predstavlja ogroman broj mogućnosti: od epske slike svemirske kolonizacije čitave galaksije, uz izgradnju Dysonovih sfera, uspona umjetne inteligencije i uspostavljanja kontakta s izvanzemaljcima. civilizacije, sve do povratka u vječni srednji vijek na planetu s potkopanim mineralnim i biološkim resursima. Fermijev paradoks (Velika tišina svemira) unosi još veću nesigurnost u pitanje utjecaja života i uma na dinamiku entropije svemira, budući da postoji ogroman raspon za njegovo objašnjenje: od ogromne rijetkosti biosfere i inteligentnih civilizacija u Svemiru do hipoteze da je naša Zemlja svojevrsni „rezervat“ ili „matrica“ u svijetu inteligentnih supercivilizacija.

Moderna ideja o "toplinskoj smrti" svemira

Trenutačno fizičari razmatraju sljedeći slijed evolucije svemira u budućnosti, ovisno o njegovom daljnjem širenju trenutnom brzinom:

1-100 bilijuna (1012) godina - završetak formiranja zvijezda u svemiru i izumiranje čak i najnovijih crvenih patuljaka. Nakon tog trenutka u Svemiru će ostati samo zvjezdani ostaci: crne rupe, neutronske zvijezde i bijeli patuljci.
1 kvadrilijun (1015) godina - svi planeti će napustiti svoje orbite oko zvijezda zbog gravitacijskih poremećaja od bliskih preleta drugih zvijezda.
10-100 kvintilijuna (1018) godina - svi planeti, smeđi patuljci i zvjezdani ostaci napustit će svoje galaksije zbog stalnih međusobnih gravitacijskih poremećaja.
100 kvintilijuna (1018) godina - približno vrijeme pada Zemlje u Sunce zbog emisije gravitacijskih valova, ako je Zemlja preživjela stadij crvenog diva i ostala u svojoj orbiti.
2 anvigintilijuna (1066) godina - približno vrijeme potpunog isparavanja crne rupe s masom Sunca.
17 septecillion (10105) godina je približno vrijeme za potpuno isparavanje crne rupe s masom od 10 trilijuna solarnih masa. Ovo je kraj ere crnih rupa.

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

A) Proton je nestabilna elementarna čestica;
A1) 10 decilijuna (1033) godina - najmanji mogući poluživot protona prema pokusima nuklearnih fizičara na Zemlji;
A2) 2 undeciliona (1036) godina - najmanje moguće vrijeme raspada svih protona u Svemiru;
A3) 100 dodecilijuna (1039) godina je najdulje moguće vrijeme poluraspada protona, što proizlazi iz hipoteze da se Veliki prasak objašnjava inflacijskim kozmološkim teorijama, te da je raspad protona uzrokovan istim procesom koji je odgovoran za prevlast bariona nad antibarionima u ranom svemiru;
A4) 30 tredecilijuna (1041) godina je maksimalno moguće vrijeme raspada za sve barione u Svemiru. Nakon tog vremena trebala bi započeti era crnih rupa, budući da će one ostati jedini postojeći nebeski objekti u Svemiru;
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 početak ere vječne tame, u kojoj su se svi objekti Svemira raspali na subatomske čestice i usporili na najnižu energetsku razinu.

B) Proton je stabilna elementarna čestica;

B1) 100 vigintilijuna (1063) godina - vrijeme tijekom kojeg sva tijela u čvrstom obliku, čak i na apsolutnoj nuli, prelaze u “tekuće” stanje, uzrokovano efektom kvantnog tuneliranja - migracije u druge dijelove kristalne rešetke;

B2) 101500 godina - pojava hipotetskih željeznih zvijezda zbog procesa hladne nukleosinteze, prolazeći kroz kvantno tuneliranje, tijekom kojeg se lake jezgre pretvaraju u najstabilniji izotop - Fe56 (prema drugim izvorima, najstabilniji izotop je nikal- 62, koji ima najveću energiju vezanja .). Istodobno se teške jezgre također pretvaraju u željezo zbog radioaktivnog raspada;

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

Era crnih rupa

I kao zaključak, možemo primijetiti pretpostavku da će nakon 10 od 10120 godina sva materija u Svemiru dosegnuti minimalno energetsko stanje. To jest, ovo će biti hipotetski početak "toplinske smrti" Svemira. Osim toga, matematičari imaju koncept Poincaréovog povratnog vremena.

Ovaj koncept označava vjerojatnost da će se prije ili kasnije bilo koji dio sustava vratiti u prvobitno stanje. Dobra ilustracija ovog koncepta je slučaj kada se u posudi koja je pregradom podijeljena na dva dijela jedan od dijelova nalazi u određenom plinu. Ako se pregrada ukloni, tada će prije ili kasnije doći vrijeme kada će sve molekule plina biti u izvornoj polovici posude. Procjenjuje se da je Poincareovo vrijeme povratka za naš svemir fantastično veliko.

Teorija o "toplinskoj smrti" svemira postala je popularna u popularnoj kulturi. Dobra ilustracija ove teorije bio je spot grupe Complex Numbers: “Inevitability”, kao i znanstvenofantastična priča Isaaca Asimova “The Last Question”.

Malo je vjerojatno da su među općom populacijom provedena sociološka istraživanja na temu: Zašto vas zanima znanje o svemiru? No, vrlo je vjerojatno da većinu običnih ljudi koji se ne bave znanstvenim istraživanjem postignuća suvremenih znanstvenika na polju proučavanja Svemira zanimaju samo u vezi s jednim problemom – je li naš Svemir konačan, i ako jest, kada očekivati univerzalna smrt? Međutim, takva pitanja zanimaju ne samo obične ljude: gotovo stoljeće i pol znanstvenici se također raspravljaju o ovoj temi, raspravljajući o teoriji toplinske smrti svemira.

Vodi li povećanje energije do smrti?

Naime, teorija o toplinskoj smrti svemira logično proizlazi iz termodinamike i prije ili kasnije morala je doći do izražaja. Ali ono je izraženo u ranoj fazi moderne znanosti, sredinom 19. stoljeća. Njegova bit je zapamtiti osnovne pojmove i zakone Svemira i primijeniti ih na sam Svemir i na procese koji se u njemu odvijaju. Dakle, sa stajališta klasične termodinamike, Svemir se može smatrati zatvorenim termodinamičkim sustavom, odnosno sustavom koji ne izmjenjuje energiju s drugim sustavima.

Nema razloga vjerovati, tvrde pristaše teorije toplinske smrti, da Svemir može razmjenjivati energiju s bilo kojim vanjskim sustavom, budući da nema dokaza da postoji još nešto osim Svemira. Tada je na Svemir, kao i na svaki zatvoreni termodinamički sustav, primjenjiv drugi zakon termodinamike, koji je jedan od glavnih postulata suvremenog znanstvenog svjetonazora. Drugi zakon termodinamike kaže da zatvoreni termodinamički sustavi teže najvjerojatnijem stanju ravnoteže, odnosno stanju s maksimalnom entropijom. U slučaju Svemira to znači da je u nedostatku "kanala za izlaz" energije najvjerojatnije ravnotežno stanje stanje transformacije svih vrsta energije u toplinu. A to znači ravnomjernu raspodjelu toplinske energije kroz materiju, nakon čega će svi poznati makroskopski procesi u Svemiru prestati, Svemir će izgledati paraliziran, što će, naravno, dovesti do prestanka života.

Svemir nije tako lako umrijeti od toplinske smrti

Međutim, nepravedna je uvriježena mudrost da su svi znanstvenici pesimisti i skloni razmatranju samo najnepovoljnijih opcija. Čim je formulirana teorija o toplinskoj smrti svemira, znanstvena zajednica je odmah počela tražiti argumente koji bi je pobili. A argumenata se našlo u velikom broju. Prije svega, a prvi od njih bilo je mišljenje da se Svemir ne može smatrati sustavom koji je sposoban cijelo vrijeme biti u stanju ravnoteže. Čak i uzimajući u obzir drugi zakon termodinamike, Svemir općenito može doći u ravnotežno stanje, ali njegovi pojedinačni dijelovi mogu doživjeti fluktuacije, odnosno određene emisije energije. Ova kolebanja ne dopuštaju pokretanje procesa pretvaranja svih vrsta energije u isključivo toplinsku.

Drugo mišljenje koje se protivi teoriji toplinske smrti ukazuje na sljedeću okolnost: da je drugi zakon termodinamike stvarno primjenjiv na svemir u apsolutnoj mjeri, tada bi toplinska smrt nastupila davno prije. Budući da ako Svemir postoji neograničeno vrijeme, onda je energija akumulirana u njemu već trebala biti dovoljna za toplinsku smrt. Ali ako još uvijek nema dovoljno energije, onda je Svemir nestabilan sustav koji se razvija, odnosno širi se. Posljedično, u ovom slučaju ne može biti zatvoreni termodinamički sustav, jer troši energiju na vlastiti razvoj i širenje.

Konačno, moderna znanost osporava teoriju toplinske smrti svemira s drugih pozicija. Prva je opća teorija relativnosti. , prema kojem je Svemir sustav koji se nalazi u promjenjivom gravitacijskom polju. Iz toga proizlazi da je nestabilan i zakon porasta entropije, odnosno da je uspostavljanje ravnotežnog stanja Svemira nemoguće. Na kraju, današnji znanstvenici se slažu da je ljudsko znanje o Svemiru nedovoljno da bi se nedvosmisleno ustvrdilo da je on zatvoren termodinamički sustav, odnosno da nema dodira s nekim vanjskim sustavima. Stoga još nije moguće konačno potvrditi ili opovrgnuti teoriju toplinske smrti Svemira.

Alexander Babitsky

MINISTARSTVO OBRAZOVANJA I ZNANOSTI RUSKE FEDERACIJE

Državna obrazovna ustanova

Visoko stručno obrazovanje

Rusko državno trgovačko i ekonomsko sveučilište

UFIMSKI INSTITUT

Pravni fakultet i učenje na daljinu

Učenje na daljinu (5,5 godina)

Specijalnost "Računovodstvena analiza i revizija"

Tečajni rad

Predmet: Pojmovi moderne prirodne znanosti

Prezime: Sitdikova

Ime: Elvira

Srednje ime: Zakievna

Kontrolni rad poslan na fakultet

Prezime učitelja: Khamidullin Yavdat Nakipovich

Uvod

1.1 Pojava ideje o T.S.V.

2. Zakon rastuće entropije

2.2 Mogućnost entropije u svemiru

3. Toplinska smrt svemira u znanstvenoj slici svijeta

3.1 Termodinamički paradoks

3.2. Termodinamički paradoks u relativističkim kozmološkim modelima

3.3 Termodinamički paradoks u kozmologiji i post-neklasičnoj slici svijeta

Zaključak

Književnost

Uvod

Toplinska smrt svemira (T.S.V.) je zaključak da se sve vrste energije u svemiru moraju na kraju pretvoriti u energiju toplinskog gibanja, koja će se ravnomjerno rasporediti po tvari svemira, nakon čega će svi makroskopski procesi prestati u to. Taj je zaključak formulirao R. Clausius (1865.) na temelju drugog zakona termodinamike. Prema drugom zakonu, svaki fizički sustav koji ne izmjenjuje energiju s drugim sustavima (takva je izmjena očito isključena za Svemir u cjelini) teži najvjerojatnijem ravnotežnom stanju - tzv. stanju s maksimalnom entropijom. Takvo stanje bi odgovaralo T.S.V. Čak i prije stvaranja moderne kozmologije učinjeni su brojni pokušaji opovrgnuti zaključak o T. S. W. Najpoznatija od njih je fluktuacijska hipoteza L. Boltzmanna (1872), prema kojoj je svemir vječno u ravnotežnom izotermnom stanju, ali prema zakonu slučajnosti, ponekad na jednom, zatim na drugom mjestu, odstupanja od toga stanje se ponekad javlja; javljaju se rjeđe, što je veće zahvaćeno područje i što je veći stupanj odstupanja. Moderna kozmologija je utvrdila da nije samo zaključak o T.S.V.-u pogrešan, već su pogrešni i rani pokušaji da se on opovrgne. To je zbog činjenice da nisu uzeti u obzir značajni fizički čimbenici, a prije svega gravitacija. Uzimajući u obzir gravitaciju, homogena izotermna raspodjela tvari nikako nije najvjerojatnija i ne odgovara maksimumu entropije. Promatranja pokazuju da je svemir izrazito nestacionaran. Ona se širi, a tvar, gotovo homogena u početku širenja, kasnije se pod utjecajem gravitacijskih sila raspada na zasebne objekte, nastaju skupovi galaksija, galaksije, zvijezde i planeti. Svi ti 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 Svemira - do T.S.V. Svemir je uvijek nestatičan i stalno se razvija. Termodinamički paradoks u kozmologiji, formuliran u drugoj polovici 19. stoljeća, od tada neprestano uzbuđuje znanstvenu zajednicu. Činjenica je da je zahvatio najdublje strukture znanstvene slike svijeta. Iako su brojni pokušaji rješavanja ovog paradoksa uvijek vodili samo do djelomičnog uspjeha, oni su generirali nove, netrivijalne fizikalne ideje, modele i teorije. Termodinamički paradoks neiscrpan je izvor novih znanstvenih spoznaja. Istodobno, pokazalo se da je njegovo znanstveno formiranje isprepleteno s puno predrasuda i potpuno krivih tumačenja. Potreban nam je novi pogled na ovaj naizgled dobro proučen problem, koji u post-neklasičnoj znanosti dobiva nekonvencionalno značenje.

1. Ideja o toplinskoj smrti svemira

1.1 Pojava ideje o T.S.V.

Prijetnja toplinske smrti Svemira, kao što smo ranije rekli, izražena je sredinom devetnaestog stoljeća. Thomson i Clausius, kada je formuliran zakon porasta entropije u ireverzibilnim procesima. Toplinska smrt je takvo stanje materije i energije u Svemiru kada su nestali gradijenti parametara koji ih karakteriziraju. Razvoj principa ireverzibilnosti, principa rastuće entropije, sastojao se u proširenju ovog principa na Svemir kao cjelinu, što je učinio Clausius.

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

1. Energija svijeta je konstantna

2. Entropija svijeta teži maksimumu.

Dakle, toplinska smrt Svemira znači potpuni prestanak svih fizikalnih procesa zbog prelaska Svemira u ravnotežno stanje s maksimalnom entropijom.

Boltzmann, koji je otkrio vezu između entropije S i statističke težine P, smatrao je da je trenutno nehomogeno stanje Svemira grandiozna fluktuacija*, iako njezina pojava ima zanemarivu vjerojatnost. Boltzmannovi suvremenici nisu priznavali njegove stavove, što je dovelo do oštrih kritika njegova rada i, očito, dovelo do Boltzmannove bolesti i samoubojstva 1906. godine.

Okrećući se izvornim formulacijama ideje o toplinskoj smrti Svemira, može se vidjeti da one u svakom pogledu ne odgovaraju svojim dobro poznatim tumačenjima, kroz prizmu kojih te formulacije obično percipiramo. Uobičajeno je govoriti o teoriji toplinske smrti ili termodinamičkom paradoksu W. Thomsona i R. Clausiusa.

No, prvo, podudarna razmišljanja ovih autora ne podudaraju se u svemu, a drugo, niže navedene tvrdnje ne sadrže ni teoriju ni paradoks.

W. Thomson, analizirajući opću tendenciju rasipanja mehaničke energije koja se očituje u prirodi, nije je proširio na svijet kao cjelinu. Ekstrapolirao je princip povećanja entropije samo na procese velikih razmjera koji se odvijaju u prirodi. Naprotiv, Clausius je predložio ekstrapolaciju ovog principa upravo na Svemir kao cjelinu, koji je za njega djelovao kao sveobuhvatni fizički sustav. Prema Clausiusu, "opće stanje Svemira mora se sve više i više mijenjati" u smjeru određenom principom rastuće entropije i, prema tome, to stanje se mora neprestano približavati određenom graničnom stanju. Možda je po prvi put Newton identificirao termodinamički aspekt u kozmologiji. Upravo je on primijetio učinak "trenja" u satu svemira - trend koji je sredinom XIX. naziva povećanje entropije. U duhu svoga vremena Newton je pozvao u pomoć Gospodina Boga. Sir Isaac je upravo njega imenovao da prati navijanje i popravak ovih "satova".

U okviru kozmologije sredinom 19. stoljeća prepoznat je termodinamički paradoks. Rasprava o paradoksu dovela je do niza briljantnih ideja širokog znanstvenog značaja ("Schrödingerovo" objašnjenje "antientropije" života od strane L. Boltzmanna; njegovo uvođenje fluktuacija u termodinamiku, čije temeljne posljedice u fizici nisu do sada iscrpljene; njegova vlastita grandiozna kozmološka hipoteza fluktuacije, izvan konceptualnog okvira koji fizika u problemu "toplinske smrti" Svemira još nije izašla; duboka i inovativna, ali ipak povijesno ograničena fluktuacijska interpretacija Drugi početak.

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

Trenutno stanje znanosti također nije u skladu s pretpostavkom o toplinskoj smrti svemira. Prije svega, ovaj zaključak je relevantan za izolirani sustav i nije jasno zašto se Svemir može pripisati takvim sustavima.

U Svemiru 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 kaosa, mogu dovesti do nastanka zvijezda iz kozmičkog prah. Daljnji razvoj termodinamike i s njom ideja T.S.V. Tijekom 19. stoljeća formulirane su glavne odredbe (počeci) termodinamike izoliranih sustava. U prvoj polovici 20. stoljeća termodinamika se razvijala uglavnom ne u dubinu, već u širinu, nastali su njezini različiti dijelovi: tehnički, kemijski, fizikalni, biološki itd. termodinamika. Tek 1940-ih pojavljuju se radovi o termodinamici otvorenih sustava u blizini točke ravnoteže, a 1980-ih javlja se sinergetika. Potonje se može tumačiti kao termodinamika otvorenih sustava daleko od točke ravnoteže. Dakle, moderna prirodna znanost odbacuje koncept "termalne smrti" u odnosu na Svemir kao cjelinu. Činjenica je da je Clausius u svom razmišljanju pribjegao sljedećim ekstrapolacijama:

1. Svemir se smatra zatvorenim sustavom.

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

toplina smrt svemir entropija

Za svijet kao cjelokupno stanje s maksimalnom entropijom to ima smisla, kao i za bilo koji konačni sustav. Ali legitimnost ovih ekstrapolacija sama po sebi vrlo je dvojbena, iako problemi povezani s njima predstavljaju poteškoće i za modernu fizičku znanost.