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Morte termica dell'universo. Siamo di fronte alla morte termica dell'universo? L'era dei buchi neri

Un tentativo di estendere le leggi della termodinamica all'universo nel suo insieme è stato fatto da R. Clausius che ha proposto i seguenti postulati.

- L'energia dell'Universo è sempre costante, cioè l'Universo è un sistema chiuso.

- L'entropia dell'universo è sempre in aumento.

Se accettiamo il secondo postulato, allora dobbiamo ammettere che tutti i processi nell'Universo sono finalizzati al raggiungimento di uno stato di equilibrio termodinamico caratterizzato da un massimo di entropia, che significa il massimo grado di caos, disorganizzazione, equilibrio energetico. In questo caso, l'universo lo farà calore morte e in esso non si produrrà alcun lavoro utile, nessun nuovo processo o formazione (le stelle non brilleranno, si formeranno nuove stelle e pianeti, l'evoluzione dell'universo si fermerà).

Molti scienziati non erano d'accordo con questa cupa prospettiva, suggerendo che insieme ai processi di entropia nell'Universo, devono verificarsi anche processi di anti-entropia, che impediscono la morte termica dell'Universo.

Tra questi scienziati c'era L. Boltzmann, che lo suggerì per un piccolo numero di particelle, la seconda legge della termodinamica non dovrebbe applicarsi , perché in questo caso è impossibile parlare dello stato di equilibrio del sistema. Allo stesso tempo, la nostra parte dell'Universo dovrebbe essere considerata come una piccola parte dell'Universo infinito. E per un'area così piccola sono ammesse piccole fluttuazioni (casuali) deviazioni dall'equilibrio generale, a causa delle quali l'evoluzione irreversibile della nostra parte dell'Universo verso il caos generalmente scompare. Ci sono aree relativamente piccole nell'Universo, dell'ordine del nostro sistema stellare, che deviano significativamente dall'equilibrio termico per periodi di tempo relativamente brevi. In queste aree avviene l'evoluzione, cioè lo sviluppo, il miglioramento, la violazione della simmetria.

A metà del ventesimo secolo, una nuova termodinamica di non equilibrio, o Termodinamica dei sistemi aperti , o sinergia dove il posto di un sistema isolato chiuso è stato preso dal concetto fondamentale di un sistema aperto. I fondatori di questa nuova scienza furono I.R.Prigozhin(1917-2004) e G.Haken (1927).

sistema aperto- un sistema che scambia materia, energia o informazioni con l'ambiente.

Anche un sistema aperto produce entropia, come uno chiuso, ma a differenza di uno chiuso, questa entropia non si accumula in un sistema aperto, ma viene rilasciata nell'ambiente. L'energia di scarto utilizzata (energia di qualità inferiore - termica a bassa temperatura) viene dissipata nell'ambiente e al suo posto viene estratta dall'ambiente nuova energia (di alta qualità, capace di mutare da una forma all'altra), in grado di produrre utili opera.

Sorto per questi scopi sono dette dissipative le strutture materiali in grado di dissipare l'energia consumata e di assorbire quella nuova . Come risultato di questa interazione, il sistema estrae ordine dall'ambiente, introducendo contemporaneamente disordine in questo ambiente. Con l'arrivo di nuova energia, materia o informazione, il disequilibrio nel sistema aumenta. Il precedente rapporto tra gli elementi del sistema, che ne determinava la struttura, viene distrutto. Sorgono nuove connessioni tra gli elementi del sistema, portando a processi cooperativi, cioè al comportamento collettivo degli elementi. È così che si possono schematicamente descrivere i processi di autorganizzazione nei sistemi aperti.

Un esempio di tale sistema è lavoro laser , che produce una potente radiazione ottica. Movimenti oscillatori caotici di particelle di tale radiazione, dovuti alla ricezione di una certa porzione di energia dall'esterno, producono movimenti coordinati. Le particelle di radiazione iniziano a oscillare nella stessa fase, per cui la potenza della radiazione laser aumenta molte volte, incommensurabile con la quantità di energia pompata.

Studiando i processi che si verificano nel laser, il fisico tedesco G.Haken (b.1927) ha chiamato una nuova direzione sinergica, che in greco antico significa “azione congiunta”, “interazione”.

Un altro noto esempio di autorganizzazione sono le reazioni chimiche studiate da I.Prigozhin. L'auto-organizzazione in queste reazioni è associata all'ingresso nel sistema dall'esterno di sostanze che forniscono queste reazioni (reagenti), da un lato, e alla rimozione dei prodotti di reazione nell'ambiente, dall'altro. Esternamente, tale auto-organizzazione può manifestarsi sotto forma di onde concentriche che appaiono periodicamente o in un cambiamento periodico del colore della soluzione reagente. Una reazione chimica simile è stata ottenuta e studiata dal famoso chimico belga di origine russa I.R.Prigozhin. Prigozhin ha chiamato la sua reazione chimica "Brusselator" in onore della città di Bruxelles, dove Prigogine ha vissuto e lavorato, e dove questa reazione è stata messa in scena per la prima volta.

Ecco come ha scritto lo stesso Prigogine al riguardo: “Supponiamo di avere due tipi di molecole: “rosse” e “blu”. A causa del movimento caotico delle molecole, ci si aspetterebbe che a un certo punto ci saranno più molecole "rosse" sul lato sinistro del recipiente, e nel momento successivo ci saranno più molecole "blu", e così via. Il colore della miscela è difficile da descrivere: viola con transizioni casuali al blu e al rosso. Vedremo un'immagine diversa osservando l'orologio chimico: l'intera miscela di reazione avrà un colore blu, quindi il suo colore cambierà bruscamente in rosso, quindi di nuovo in blu e così via. Il cambiamento di colore avviene a intervalli regolari. Per cambiare contemporaneamente il loro colore, le molecole devono in qualche modo mantenere una connessione tra loro. Il sistema deve comportarsi nel suo insieme” (Prigozhin I., Stengers I. Ordine dal caos. M., 1986. P.202-203).

Ovviamente non c'è "collusione" tra le molecole nel senso letterale della parola e non potrebbe esserlo. Il fatto è che a un certo punto nel tempo tutte le molecole hanno iniziato a vibrare in una fase: il blu, e quindi l'intera miscela ha acquisito un colore blu. Dopo un certo periodo di tempo, le molecole hanno iniziato a vibrare in un'altra fase - la fase rossa, e poi l'intera miscela è diventata rossa, ecc., fino a quando l'azione del reagente non è terminata.

Facciamo un altro esempio. Se prendiamo un tamburo da circo trasparente con palline blu e rosse e iniziamo a ruotarlo a una certa frequenza - la frequenza del rosso, allora, come nel caso delle molecole, scopriremo che tutte le palline sono diventate rosse. Se modifichiamo la velocità del tamburo alla lunghezza d'onda blu corrispondente, vedremo che le palline diventano blu, ecc.

L'esempio più illustrativo di auto-organizzazione è cellule di Benard . Si tratta di piccole strutture esagonali che possono, ad esempio, formarsi in uno strato di burro su una padella con un'adeguata differenza di temperatura. Non appena il regime di temperatura cambia, le cellule si disintegrano.

Pertanto, affinché una nuova struttura si allinei spontaneamente, è necessario impostare i parametri ambientali appropriati.

Parametri di controllo- questi sono i parametri dell'ambiente che creano le condizioni al contorno entro le quali esiste questo sistema aperto (questo può essere un regime di temperatura, la corrispondente concentrazione di sostanze, la frequenza di rotazione, ecc.).

Opzioni d'ordine- è la "risposta" del sistema al cambiamento dei parametri di controllo (ristrutturazione del sistema).

È ovvio che il processo di autorganizzazione non può iniziare in nessun sistema ea nessuna condizione. Consideriamo le condizioni in cui può iniziare il processo di autorganizzazione.

Condizioni necessarie per l'emergere dell'autorganizzazione nei vari sistemi sono i seguenti:

1. Il sistema deve essere aprire , perché un sistema chiuso, in ultima analisi, deve giungere a uno stato di massimo disordine, caos, disorganizzazione secondo la 2a legge della termodinamica;

2. Apri il sistema deve essere sufficientemente lontano dal punto di equilibrio termodinamico . Se il sistema è già vicino a questo punto, allora inevitabilmente si avvicinerà ad esso e, alla fine, arriverà a uno stato di completo caos e disorganizzazione. Infatti il punto di equilibrio termodinamico è un forte attrattore;

3. Il principio fondamentale dell'autorganizzazione è " l'emergere dell'ordine attraverso le fluttuazioni" (I.Prigozhin). fluttuazioni o le deviazioni casuali del sistema da una posizione media all'inizio vengono soppresse ed eliminate dal sistema. Tuttavia, nei sistemi aperti, a causa del rafforzamento del non equilibrio, queste deviazioni aumentano nel tempo, si intensificano e, alla fine, portano all'"allentamento" dell'ordine precedente, al caos del sistema. In uno stato di instabilità, instabilità, il sistema sarà particolarmente sensibile alle condizioni iniziali, sensibile alle fluttuazioni. In questo momento, alcune fluttuazioni si rompono dal livello macro del sistema al suo livello micro e selezionano l'ulteriore percorso dello sviluppo del sistema, la sua ulteriore ristrutturazione. È praticamente impossibile prevedere come si comporterà un sistema in uno stato di instabilità, quale scelta gli verrà fatta. Questo processo è caratterizzato come il principio dell'"emergere dell'ordine attraverso le fluttuazioni". Le fluttuazioni sono casuali. Pertanto, diventa chiaro che l'emergere di qualcosa di nuovo nel mondo è associato all'azione di fattori casuali.

Ad esempio, la società totalitaria nell'Unione Sovietica era una solida struttura sociale. Tuttavia, le informazioni provenienti dall'estero sulla vita di altre società, il commercio (scambio di merci), ecc. cominciò a causare deviazioni nella società totalitaria sotto forma di libero pensiero, malcontento, dissenso, ecc. Inizialmente, la struttura della società totalitaria è stata in grado di sopprimere queste fluttuazioni, ma sono diventate sempre di più e la loro forza è cresciuta, il che ha portato all'allentamento e al crollo della vecchia struttura totalitaria e alla sua sostituzione con una nuova.

E un altro esempio comico: The Tale of the Rapa. Il nonno ha piantato una rapa. È cresciuta una grande rapa. È ora di tirarla fuori dal terreno. Il nonno trascinava e trascinava la rapa, ma non riusciva a tirarla fuori. Il nostro sistema di rape è ancora troppo stabile. Il nonno ha chiamato la nonna per chiedere aiuto. Hanno trascinato, trascinato insieme la rapa, ma non sono riusciti a tirarla fuori. Le fluttuazioni che allentano la rapa si fanno più forti, ma non sono ancora sufficienti a distruggere il sistema (la rapa). Hanno chiamato la nipote, ma non hanno nemmeno tirato fuori la rapa. Poi hanno chiamato il cane Bug e infine hanno chiamato il topo. Sembrerebbe che il topo possa fare uno sforzo, ma è stata "l'ultima goccia", che ha portato a un cambiamento qualitativamente nuovo nel sistema: il suo collasso (la rapa è stata estratta dal terreno). Il topo può essere definito un incidente imprevedibile che ha svolto un ruolo decisivo, oppure una "piccola causa di grandi eventi";

4. L'emergere dell'autorganizzazione si basa su riscontro positivo . Secondo il principio del feedback positivo, i cambiamenti che compaiono nel sistema non vengono eliminati, ma intensificati, accumulati, il che alla fine porta alla destabilizzazione, all'allentamento della vecchia struttura e alla sua sostituzione con una nuova;

5. I processi di autorganizzazione sono accompagnati rottura della simmetria . Simmetria significa stabilità, immutabilità. L'autorganizzazione, invece, implica asimmetria, cioè sviluppo, evoluzione;

6. L'auto-organizzazione può iniziare solo in sistemi di grandi dimensioni che hanno un numero sufficiente di elementi che interagiscono tra loro (10 10 -10 14 elementi), cioè in sistemi che hanno alcuni parametri critici . Per ogni specifico sistema auto-organizzante, questi parametri critici sono diversi.

Lezione numero 14. Concetti base di sinergia. Capacità di gestire sistemi sinergici.

Processi esplosivi e catastrofici sono noti all'umanità da molto tempo. Diciamo che una persona che viaggiava in montagna sapeva, sulla base della sua esperienza empirica, che una valanga di montagna può crollare all'improvviso, quasi per un soffio di vento o per un passo fallito.

Rivoluzioni e cataclismi erano spesso il risultato dell'ultima goccia di malcontento popolare, l'ultimo evento casuale che ha travolto la bilancia. Queste erano tipiche piccole cause di grandi eventi.

Ognuno di noi può ricordare alcune situazioni di scelta che ostacolavano il modo di vivere e, nei momenti decisivi della vita, si sono aperte davanti a noi diverse opportunità. Siamo tutti inseriti nei meccanismi, dove in un momento critico, il momento di una svolta, una scelta decisiva determina un evento casuale. Quindi, processi a valanga, cataclismi e sconvolgimenti sociali, situazioni critiche di scelta sul percorso di vita di ogni persona ... È possibile tracciare un'unica base scientifica per tutti questi fatti apparentemente diversi? Negli ultimi 30 anni, sono state gettate le basi per un modello scientifico così universale, che si chiama sinergia.

Come abbiamo visto, la sinergia si basa sulle idee approccio sistematico e olistico al mondo non linearità (vale a dire un sacco di variazione), irreversibilità , profondo rapporto tra caos e ordine . Synergetics ci dà un'immagine mondo complesso , che non è diventato, ma divenire non solo esistente, ma continuamente emergente . Questo mondo si sta evolvendo leggi non lineari , è pieno inaspettato , imprevedibile giri, relativo alla scelta di un ulteriore percorso di sviluppo.

Il tema della sinergia sono meccanismi di autorganizzazione . Si tratta di meccanismi di formazione e distruzione di strutture, meccanismi che assicurano il passaggio dal caos all'ordine e viceversa. Questi meccanismi non dipendono dalla specificità degli elementi del sistema. Sono inerenti al mondo inanimato e alla natura, all'uomo e alla società. La sinergetica è quindi considerata un'area interdisciplinare della ricerca scientifica.

La sinergetica, come ogni altra scienza, ha il suo linguaggio, il suo sistema di concetti. Questi sono concetti come "attrattore", "biforcazione", "oggetto frattale", "caos deterministico" e altri. Questi concetti dovrebbero diventare accessibili a ogni persona istruita, soprattutto perché possono trovare corrispondenti analoghi nella scienza e nella cultura.

I concetti di base della sinergia sono i concetti di "caos" e "ordine".

Ordine- questo è un insieme di elementi di qualsiasi natura, tra i quali esistono relazioni stabili (regolari) che si ripetono nello spazio e nel tempo. Ad esempio, la formazione di soldati che marciano in una parata.

Caos- un insieme di elementi tra i quali non esistono relazioni ripetitive stabili. Ad esempio, una folla di persone che corrono in preda al panico.

Il concetto di "attrattore" vicino al concetto obiettivi. Questo concetto può essere rivelato come intenzionalità, come direzione del comportamento del sistema, come suo stato relativamente finale stabile. In sinergia un attrattore è inteso come uno stato relativamente stabile del sistema, che, per così dire, attrae la diversità delle traiettorie del sistema determinato da diverse condizioni iniziali. Se il sistema cade nel cono attrattore, evolve inevitabilmente verso questo stato relativamente stabile. Ad esempio, indipendentemente dalla posizione iniziale della palla, rotolerà sul fondo della fossa. Lo stato di riposo della palla in fondo alla buca è l'attrattore del moto della palla.

Attrattori suddiviso in semplice e strano .

Attrattore semplice(attrattore) è lo stato limite dell'ordine. Il sistema costruisce l'ordine e lo migliora non all'infinito, ma a un livello determinato da un semplice attrattore.

strano attrattoreè lo stato limite della caotizzazione del sistema. Il sistema è caotico, anch'esso cade a pezzi, non all'infinito, ma a un livello determinato da uno strano attrattore.

concetto biforcazione tradotto dall'inglese significa una forchetta con due rebbi - befork. Di solito non parlano della biforcazione stessa, ma di punti di biforcazione . Senso sinergico punti di biforcazione è - questo è il punto di diramazione dei possibili percorsi evolutivi del sistema .Passando per punti di diramazione, la scelta perfetta chiude altri percorsi e rende così irreversibile il processo evolutivo. .

Sistema non lineare può essere definito come un sistema contenente biforcazioni.

Molto importante per la sinergia è non linearità . Sotto non linearità comprendere:

1. Possibilità di scegliere il modo di sviluppo del sistema (resta inteso che il sistema non ha un modo di sviluppo, ma diversi);

2. L'incommensurabilità del nostro impatto sul sistema e del risultato ottenuto in esso. Secondo il proverbio, "un topo partorirà una montagna".

Quello che in sinergia si chiama "biforcazione " ha profondi analoghi nella cultura. Quando un cavaliere delle fiabe sta in piedi, pensando a una pietra sul ciglio della strada a un bivio e la scelta del percorso determinerà il suo destino futuro, allora questa è essenzialmente una rappresentazione visivo-figurativa di una biforcazione nella vita di una persona. L'evoluzione delle specie biologiche, rappresentate come albero evolutivo , illustra chiaramente i percorsi ramificati dell'evoluzione della natura vivente.

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Esplorare l'ipotesi della morte termica dell'universo. Leggi il concetto e la teoria della morte termica, il ruolo dell'entropia dell'Universo, l'equilibrio termodinamico, la temperatura.

L'entropia dell'universo è in costante crescita. Il suo obiettivo è l'equilibrio termodinamico, che porterà a calore morte.

Compito di apprendimento

Considera i processi che portano al problema della morte termica dell'Universo.

Punti chiave

Nell'universo primordiale, tutta la materia e l'energia erano facilmente intercambiabili e di natura identica.
Con la crescita dell'entropia, sempre meno energia ha aperto il lavoro.
L'universo tende all'equilibrio termodinamico - massima entropia. Questa è la morte termica e la fine dell'attività di ogni cosa.

Termini

Un asteroide è un corpo solido naturale, di dimensioni inferiori a un pianeta, e non agisce come una cometa.
L'entropia è una misura della distribuzione di energia uniforme in un sistema.
Geotermico - si riferisce all'energia termica proveniente da serbatoi terrestri profondi.

Nell'universo primordiale, materia ed energia erano di natura identica ed erano facilmente intercambiabili. Naturalmente, la gravità ha svolto un ruolo importante in molti processi. Sembrava irregolare, ma tutta l'energia dell'universo futuro veniva offerta per il lavoro.

Lo spazio si è evoluto e sono sorte differenze di temperatura, creando maggiori opportunità di lavoro. Le stelle superano i pianeti nel riscaldamento, che sono più avanti degli asteroidi, e quelli sono più caldi del vuoto. Molti si stanno raffreddando a causa di interferenze violente (esplosione nucleare vicino alle stelle, attività vulcanica vicino alla Terra, ecc.). Se non ottieni energia aggiuntiva, i loro giorni sono contati. Sotto c'è una mappa dell'universo.

Questo è un Universo molto giovane con fluttuazioni di temperatura (evidenziate in colori), corrispondenti ai granelli che sono diventati galassie

Maggiore è l'entropia, minore è l'energia che entra in lavoro. La terra ha grandi riserve di energia (fossili e combustibili nucleari), enormi differenze di temperatura (energia eolica), energia geotermica dovuta alla differenza nei segni di temperatura degli strati terrestri ed energia delle maree dell'acqua. Ma parte della loro energia non funzionerà mai. Di conseguenza, tutti i tipi di carburante saranno esauriti e le temperature si uniformeranno.

L'universo è percepito come un sistema chiuso, quindi l'entropia spaziale è sempre in aumento e la quantità di energia disponibile per il lavoro è in diminuzione. Alla fine, quando tutte le stelle esplodono, tutte le forme di energia potenziale si esauriscono e le temperature si stabilizzano, il lavoro diventa semplicemente impossibile.

Il nostro Universo tende all'equilibrio termodinamico (massima entropia). Spesso questo scenario viene definito morte termica, la cessazione di ogni attività. Ma lo spazio continua ad espandersi e la fine è ancora troppo lontana. Con l'aiuto dei calcoli del buco nero, si è scoperto che l'entropia continuerà per altri 10.100 anni.

La seconda legge (inizio) della termodinamica afferma che l'energia interna del calore (calore) non può trasferirsi indipendentemente da un oggetto meno riscaldato a un oggetto più riscaldato.

Come risultato della Seconda Legge della Termodinamica, qualsiasi sistema fisico che non scambia energia con altri sistemi tende allo stato di equilibrio più probabile - allo stato con la più alta entropia (valore che caratterizza il grado di disordine e lo stato termico del sistema fisico). Questa legge fu descritta per la prima volta da Sadi Carnot nel 1824. In conseguenza di ciò, già nel 1852, William Kelvin propose un'ipotesi sulla futura "morte termica della Terra" nel corso del processo di raffreddamento del nostro pianeta in uno stato senza vita. Nel 1865 Rudolf Clausius estese questa ipotesi all'intero universo.

Nel 1872, il fisico austriaco Ludwig Boltzmann tentò di quantificare l'entropia usando la formula S = k * ln W (dove S è l'entropia, k è la costante di Boltzmann, W è il numero di microstati che realizzano il macrostato. Un microstato è uno stato di un singolo componente di un sistema e un macrostato — lo stato del sistema nel suo insieme.

Una prova ancora maggiore della validità dell'ipotesi è stata la scoperta della radiazione termica dell'Universo, sorta durante la ricombinazione (combinazione di protoni ed elettroni in atomi) dell'idrogeno primario, avvenuta dopo 379 mila anni. Il processo di ricombinazione avviene a temperature di 3mila Kelvin, mentre la temperatura attuale della radiazione cosmica di fondo a microonde, determinata dal suo massimo, è di soli 2,7 Kelvin. Lo studio della CMB ha dimostrato che è isotropa (uniforme) per qualsiasi direzione nel cielo a un livello del 99,999%.

Le osservazioni astronomiche ti consentono di costruire il cosiddetto. il diagramma di Madau, che mostra la dipendenza del tasso di formazione stellare da .

Lo studio delle statistiche dei quasar (nuclei di galassie attive) consente di stimare in modo indipendente il tasso di formazione stellare. L'indagine 2DF condotta nel 1997-2002 sul telescopio australiano AAT ha studiato circa 10.000 quasar in un'area di cielo di 1,5 mila gradi quadrati nelle regioni di entrambi i poli galattici.

Un'altra prova della correttezza della teoria della futura "morte termica dell'Universo" è stata la ricerca della fisica nucleare, che ha dimostrato che l'energia di legame dei nucleoni (protoni e neutroni) nel nucleo aumenta all'aumentare del loro numero nel nucleo della maggior parte elementi chimici aumenta.

La conseguenza di questa dipendenza fu che le reazioni di fusione termonucleare che coinvolgono elementi chimici più leggeri (ad esempio, idrogeno ed elio) portarono al rilascio di molta più energia all'interno delle stelle rispetto alle reazioni termonucleari che coinvolgono elementi chimici più pesanti. Inoltre, studi teorici alla fine del XX secolo hanno suggerito che non sono eterni, ma evaporano gradualmente sotto l'azione (l'ipotetica radiazione dei buchi neri, che consiste principalmente di fotoni).

Argomenti contro l'ipotesi della “morte termica” dell'Universo

I dubbi sulla validità dell'ipotesi dell'inevitabile "morte termica dell'Universo" in futuro possono essere suddivisi in più punti (vedi illustrazione della teoria del Big Rip of the Universe).

C'è incertezza nel prevedere i futuri cambiamenti nel volume del nostro universo. Esiste sia la teoria del Big Rip of the Universe (espansione accelerata dell'Universo all'infinito), sia la teoria della Big Compression of the Universe (in futuro l'Universo inizierà a ridursi). L'incertezza tra queste opzioni è causata dalle recenti scoperte di misteriosa materia oscura ed energia.

C'è incertezza sul numero di universi esistenti e sulla possibilità di comunicazione tra di loro. Da un lato, il paradosso fotometrico (il paradosso di Szezo-Olbers) del cielo scuro parla della finitezza delle dimensioni e dell'età del nostro Universo, nonché dell'assenza della sua connessione con altri Universi.

D'altra parte, dal principio di mediocrità (il principio copernicano) segue che il nostro Universo non è unico, e ci deve essere un numero infinito di altri Universi con un diverso insieme di costanti fisiche. Inoltre, la fisica moderna ammette l'esistenza di tunnel spazio-temporali (wormhole) tra i diversi Universi.

Quando una sostanza ordinaria viene raffreddata (la sua transizione allo stato solido), la sua entropia non aumenta, ma piuttosto diminuisce:

I punti chiave della teoria della "morte termica" dell'Universo sono la possibilità del decadimento del protone e l'esistenza della "radiazione di Hawking", ma questi ipotetici fenomeni non sono ancora stati provati sperimentalmente.

C'è una grande incertezza sull'influenza della vita e dell'intelligenza sulla dinamica dell'entropia dell'Universo. Nella questione dell'influenza di forme di vita non intelligenti sull'entropia dell'Universo, non c'è dubbio che la vita riduca l'entropia. A riprova di ciò, possiamo citare i fatti di una natura più complessa degli organismi viventi rispetto a qualsiasi sostanza chimica inorganica. La superficie del nostro pianeta a causa della biosfera sembra molto più diversificata rispetto alla superficie "morta" , o . Inoltre, gli organismi viventi più semplici sono visti nell'attività di arricchire l'atmosfera terrestre di ossigeno (ossigeno biogenico), oltre a generare ricchi depositi minerali (biogenesi).

Allo stesso tempo, la domanda rimane senza risposta: la vita intelligente (cioè l'uomo) aumenta o diminuisce l'entropia dell'Universo? Da un lato, il cervello umano è la forma più complessa conosciuta tra gli organismi viventi, così come il fatto che il progresso scientifico e tecnologico ha permesso alle persone di raggiungere livelli senza precedenti nella conoscenza e nella progettazione, anche nella sintesi di elementi chimici e particelle elementari che non si osservano in natura... La moderna civiltà umana è in grado di prevenire i grandi disastri naturali (incendi boschivi, inondazioni, epidemie di massa, ecc.) ed è a un passo dalla possibilità di prevenire i disastri planetari (caduta di piccoli asteroidi e comete).

D'altra parte, la civiltà umana si distingue anche per tendenze "entropiche". Il potere distruttivo degli arsenali di armi sta crescendo insieme all'aumento del numero di industrie chimiche e nucleari pericolose, l'industria mineraria in pochi decenni è in grado di devastare i depositi di minerali che si sono accumulati sul pianeta per molte centinaia di milioni di anni. Lo sviluppo dell'agricoltura ha portato alla deforestazione di gran parte della superficie del nostro pianeta e contribuisce anche al degrado e all'aggrovigliamento del suolo. Bracconaggio, emissioni di gas serra (possibile acidificazione degli oceani), ecc. stanno rapidamente riducendo la biodiversità del nostro pianeta, in relazione alla quale gli ambientalisti classificano l'ora attuale come una nuova estinzione di massa. Inoltre, negli ultimi decenni, c'è stato un forte calo della natalità nei paesi più sviluppati, è possibile che questa situazione demografica sia stata il risultato della proibitiva complicazione della vita della civiltà umana.

In relazione a tutte queste tendenze, il prossimo futuro della civiltà umana presenta un numero enorme di possibilità: dal quadro epico della colonizzazione spaziale dell'intera galassia, insieme alla costruzione delle sfere di Dyson, all'ascesa dell'intelligenza artificiale e alla creazione di contatti con extraterrestri civiltà, fino a un ritorno all'eterno Medioevo su un pianeta con risorse minerali e biologiche minate. Il paradosso di Fermi (Il grande silenzio dell'universo) aggiunge ancora più incertezza alla questione dell'influenza della vita e della mente sulla dinamica dell'entropia dell'Universo, poiché esiste una vasta gamma per la sua spiegazione: dall'enorme rarità di biosfere e civiltà intelligenti nell'Universo all'ipotesi che la nostra Terra sia una certa "riserva" o "matrice" nel mondo delle superciviltà intelligenti.

L'idea moderna della "morte termica" dell'Universo

Attualmente, i fisici stanno prendendo in considerazione la seguente sequenza di evoluzione dell'Universo in futuro, soggetta alla sua ulteriore espansione al ritmo attuale:

1-100 trilioni (1012) anni: il completamento della formazione delle stelle nell'Universo e l'estinzione anche delle ultime nane rosse. Dopo questo momento, nell'Universo rimarranno solo resti stellari: buchi neri, stelle di neutroni e nane bianche.
1 quadrilione (1015) anni - tutti i pianeti lasceranno le loro orbite attorno alle stelle a causa dei disturbi gravitazionali causati da passaggi ravvicinati di altre stelle.
10-100 quintilioni (1018) anni: tutti i pianeti, le nane brune e i resti stellari lasceranno le loro galassie a causa delle costanti perturbazioni gravitazionali reciproche.
100 quintilioni (1018) anni - il tempo approssimativo della caduta della Terra nel Sole a causa dell'emissione di onde gravitazionali, se la Terra è sopravvissuta allo stadio di gigante rossa ed è rimasta nella sua orbita.
2 anvigintilioni (1066) anni - il tempo approssimativo per la completa evaporazione di un buco nero con la massa del Sole.
17 septecillion (10105) anni è il tempo approssimativo per la completa evaporazione di un buco nero con una massa di 10 trilioni di masse solari. Questa è la fine dell'era dei buchi neri.

Nel futuro, il futuro dell'Universo ricade in due possibili opzioni, a seconda che il protone sia o meno una particella elementare stabile:

A) Il protone è una particella elementare instabile;
A1) 10 decillion (1033) anni - la più piccola emivita possibile di un protone secondo gli esperimenti dei fisici nucleari sulla Terra;
A2) 2 undecillion (1036) anni - il tempo più breve possibile per il decadimento di tutti i protoni nell'Universo;
A3) 100 dodecillion (1039) anni è l'emivita del protone più lunga possibile, che deriva dall'ipotesi che il Big Bang sia spiegato da teorie cosmologiche inflazionistiche, e che il decadimento del protone sia causato dallo stesso processo che è responsabile della la predominanza dei barioni sugli antibarioni nell'Universo primordiale;
A4) 30 tredecillion (1041) anni è il massimo tempo di decadimento possibile per tutti i barioni nell'Universo. Trascorso questo tempo, dovrebbe iniziare l'era dei buchi neri, poiché rimarranno gli unici oggetti celesti esistenti nell'Universo;
A5) 17 diciassette miliardi (10105) anni è il tempo approssimativo per la completa evaporazione anche dei buchi neri più massicci. Questo è il momento della fine dell'era dei buchi neri e l'inizio dell'era dell'oscurità eterna, in cui tutti gli oggetti dell'Universo sono decaduti in particelle subatomiche e rallentati al livello di energia più basso.

B) Il protone è una particella elementare stabile;

B1) 100 vigintilioni (1063) anni - il tempo durante il quale tutti i corpi in forma solida, anche allo zero assoluto, si trasformano in uno stato "liquido", causato dall'effetto del tunneling quantistico - migrazione verso altre parti del reticolo cristallino;

B2) 101500 anni - la comparsa di ipotetiche stelle di ferro dovute ai processi di nucleosintesi fredda, che attraversano il tunnel quantistico, durante il quale i nuclei leggeri vengono convertiti nell'isotopo più stabile - Fe56 (secondo altre fonti, l'isotopo più stabile è il nichel- 62, che ha la più alta energia di legame.). Allo stesso tempo, anche i nuclei pesanti si trasformano in ferro a causa del decadimento radioattivo;

B3) 10 su 1026 - 10 su 1076 anni - una stima dell'intervallo di tempo durante il quale tutta la materia nell'universo si accresce in buchi neri.

L'era dei buchi neri

E in conclusione, possiamo notare l'ipotesi che dopo 10 anni su 10120 tutta la materia nell'Universo raggiungerà uno stato energetico minimo. Cioè, questo sarà l'ipotetico inizio della "morte termica" dell'Universo. Inoltre, i matematici hanno il concetto del tempo di ritorno di Poincaré.

Questo concetto indica la probabilità che prima o poi qualsiasi parte del sistema ritorni al suo stato originario. Un buon esempio di questo concetto è il caso in cui in un recipiente diviso in due parti da un tramezzo, una delle parti contiene un certo gas. Se la partizione viene rimossa, prima o poi verrà il momento in cui tutte le molecole di gas saranno nella metà originale del recipiente. Per il nostro Universo, si stima che il tempo di ritorno di Poincaré sia straordinariamente lungo.

La teoria della "morte termica" dell'universo è diventata popolare nella cultura popolare. Un buon esempio di questa teoria è stata la clip del gruppo Complex Numbers: "Inevitability", così come la storia di fantascienza di Isaac Asimov "The Last Question".

È improbabile che siano state condotte indagini sociologiche tra la popolazione generale sull'argomento: perché sei interessato alla conoscenza dell'Universo? Ma è molto probabile che la maggior parte delle persone comuni che non sono impegnate nella ricerca scientifica siano preoccupate per i risultati degli scienziati moderni nel campo dello studio dell'Universo solo in relazione a un problema: il nostro Universo è finito e, in tal caso, quando aspettarsi morte universale? Tuttavia, tali domande interessano non solo la gente comune: da quasi un secolo e mezzo anche gli scienziati discutono su questo argomento, discutendo la teoria della morte termica dell'Universo.

Un aumento di energia porta alla morte?

Infatti, la teoria della morte termica dell'Universo segue logicamente dalla termodinamica e prima o poi doveva essere espressa. Ma è stato espresso in una fase iniziale della scienza moderna, a metà del XIX secolo. La sua essenza è ricordare i concetti e le leggi di base dell'Universo e applicarli all'Universo stesso e ai processi che si svolgono in esso. Quindi, dal punto di vista della termodinamica classica, l'Universo può essere considerato come un sistema termodinamico chiuso, cioè un sistema che non scambia energia con altri sistemi.

Non c'è motivo di credere, sostengono i sostenitori della teoria della morte termica, che l'Universo possa scambiare energia con qualsiasi sistema esterno ad esso, poiché non ci sono prove che ci sia altro oltre all'Universo. Quindi all'Universo, come a qualsiasi sistema termodinamico chiuso, è applicabile la seconda legge della termodinamica, che è uno dei principali postulati della moderna visione scientifica del mondo. La seconda legge della termodinamica afferma che i sistemi termodinamici chiusi tendono allo stato di equilibrio più probabile, cioè allo stato con la massima entropia. Nel caso dell'Universo, ciò significa che in assenza di "canali per l'emissione" di energia, lo stato di equilibrio più probabile è lo stato di trasformazione di tutti i tipi di energia in calore. E questo significa una distribuzione uniforme dell'energia termica in tutta la materia, dopodiché tutti i processi macroscopici conosciuti nell'Universo si fermeranno, l'Universo sembrerà paralizzato, il che, ovviamente, porterà alla fine della vita.

L'universo non è così facile da morire di morte termica

Tuttavia, la saggezza convenzionale secondo cui tutti gli scienziati sono pessimisti e tendono a considerare solo le opzioni più sfavorevoli è ingiusta. Non appena fu formulata la teoria della morte termica dell'Universo, la comunità scientifica iniziò immediatamente a cercare argomenti per confutarla. E gli argomenti sono stati trovati in gran numero. Prima di tutto, e la prima in assoluto era l'opinione che l'Universo non potesse essere considerato un sistema capace di essere sempre in uno stato di equilibrio. Anche tenendo conto della seconda legge della termodinamica, l'Universo può generalmente raggiungere uno stato di equilibrio, ma le sue singole sezioni possono subire fluttuazioni, cioè alcune emissioni di energia. Queste fluttuazioni non consentono l'avvio del processo di conversione di tutti i tipi di energia in esclusivamente energia termica.

Un'altra opinione che si oppone alla teoria della morte termica indica la seguente circostanza: se la seconda legge della termodinamica fosse davvero applicabile all'Universo in misura assoluta, allora la morte termica sarebbe arrivata molto tempo fa. Poiché se l'Universo esiste per un tempo illimitato, l'energia accumulata in esso dovrebbe già essere sufficiente per la morte termica. Ma se non c'è ancora abbastanza energia, allora l'Universo è un sistema instabile in via di sviluppo, cioè si sta espandendo. Di conseguenza, in questo caso, non può essere un sistema termodinamico chiuso, poiché consuma energia per il proprio sviluppo ed espansione.

Infine, la scienza moderna contesta la teoria della morte termica dell'Universo da altre posizioni. La prima è la teoria generale della relatività. , secondo cui l'Universo è un sistema situato in un campo gravitazionale variabile. Da ciò ne consegue che è instabile e la legge dell'entropia aumenta, cioè l'instaurazione di uno stato di equilibrio dell'Universo è impossibile. Alla fine, gli scienziati di oggi concordano sul fatto che la conoscenza dell'Universo da parte dell'umanità è insufficiente per affermare inequivocabilmente che si tratta di un sistema termodinamico chiuso, cioè che non ha contatti con alcuni sistemi esterni. Pertanto, non è ancora possibile confermare o confutare definitivamente la teoria della morte termica dell'Universo.

Alexander Babitsky

MINISTERO DELL'ISTRUZIONE E DELLA SCIENZA DELLA FEDERAZIONE RUSSA

Istituto scolastico statale

Istruzione professionale superiore

Università statale russa per il commercio e l'economia

ISTITUTO UFIMSKY

Facoltà di Giurisprudenza e Formazione a distanza

Apprendimento a distanza (5,5 anni)

Specialità "Analisi contabile e audit"

Lavoro del corso

Oggetto: Concetti di scienza naturale moderna

Cognome: Sitdikova

Nome: Elvira

Secondo nome: Zakievna

Lavoro di controllo inviato all'università

Cognome dell'insegnante: Khamidullin Yavdat Nakipovich

introduzione

1.1 L'emergere dell'idea di T.S.V.

2. La legge dell'entropia crescente

2.2 Possibilità di entropia nell'Universo

3. Morte termica dell'Universo nel quadro scientifico del Mondo

3.1 Paradosso termodinamico

3.2 Paradosso termodinamico nei modelli cosmologici relativistici

3.3 Il paradosso termodinamico in cosmologia e l'immagine post-non classica del mondo

Conclusione

Letteratura

introduzione

La morte termica dell'Universo (TSV) è la conclusione che tutti i tipi di energia nell'Universo devono alla fine trasformarsi nell'energia del movimento termico, che sarà uniformemente distribuito sulla sostanza dell'Universo, dopodiché tutti i processi macroscopici si fermeranno in esso. Questa conclusione fu formulata da R. Clausius (1865) sulla base della seconda legge della termodinamica. Secondo la seconda legge, qualsiasi sistema fisico che non scambia energia con altri sistemi (tale scambio è ovviamente escluso per l'Universo nel suo insieme) tende allo stato di equilibrio più probabile, al cosiddetto stato di massima entropia. Tale stato corrisponderebbe a T.S.V. Anche prima della creazione della cosmologia moderna, furono fatti numerosi tentativi per confutare la conclusione su T.S.W. La più famosa di esse è l'ipotesi di fluttuazione di L. Boltzmann (1872), secondo la quale l'Universo è eternamente in uno stato isotermico di equilibrio, ma secondo la legge del caso, a volte in un luogo, poi in un altro, deviazioni da questo lo stato a volte si verifica; si verificano meno frequentemente, maggiore è l'area catturata e maggiore è il grado di deviazione. La cosmologia moderna ha stabilito che non solo la conclusione sulla TSV è errata, ma anche i primi tentativi di confutarla. Ciò è dovuto al fatto che non sono stati presi in considerazione fattori fisici significativi e, soprattutto, la gravità. Tenendo conto della gravità, una distribuzione isotermica omogenea della materia non è affatto la più probabile e non corrisponde al massimo di entropia. Le osservazioni mostrano che l'Universo è nettamente non stazionario. Si espande e la sostanza, quasi omogenea all'inizio dell'espansione, successivamente, sotto l'influenza delle forze gravitazionali, si scompone in oggetti separati, si formano ammassi di galassie, galassie, stelle e pianeti. Tutti questi processi sono naturali, vanno con la crescita dell'entropia e non richiedono la violazione delle leggi della termodinamica. Anche in futuro, tenendo conto della gravità, non porteranno a uno stato isotermico omogeneo dell'Universo - a T.S.V. L'universo è sempre non statico e in continua evoluzione. Il paradosso termodinamico in cosmologia, formulato nella seconda metà del XIX secolo, da allora ha continuamente entusiasmato la comunità scientifica. Il fatto è che ha toccato le strutture più profonde del quadro scientifico del mondo. Sebbene i numerosi tentativi di risolvere questo paradosso abbiano sempre portato solo a successi parziali, hanno generato nuove idee fisiche, modelli e teorie non banali. Il paradosso termodinamico è una fonte inesauribile di nuove conoscenze scientifiche. Allo stesso tempo, la sua formazione scientifica si è rivelata intrisa di molti pregiudizi e interpretazioni completamente sbagliate. Abbiamo bisogno di una nuova occhiata a questo problema apparentemente ben studiato, che acquista un significato non convenzionale nella scienza post-non classica.

1. L'idea della morte termica dell'universo

1.1 L'emergere dell'idea di T.S.V.

La minaccia della morte termica dell'Universo, come abbiamo detto in precedenza, fu espressa a metà del diciannovesimo secolo. Thomson e Clausius, quando fu formulata la legge dell'aumento dell'entropia nei processi irreversibili. La morte termica è un tale stato della materia e dell'energia nell'Universo quando i gradienti dei parametri che li caratterizzano sono scomparsi. Lo sviluppo del principio di irreversibilità, il principio dell'aumento dell'entropia, consisteva nell'estendere questo principio all'Universo nel suo insieme, cosa che fu fatta da Clausius.

Quindi, secondo la seconda legge, tutti i processi fisici procedono nella direzione del trasferimento di calore dai corpi più caldi a quelli meno caldi, il che significa che il processo di equalizzazione della temperatura nell'Universo procede lentamente ma inesorabilmente. Di conseguenza, in futuro, è prevista la scomparsa delle differenze di temperatura e la trasformazione di tutta l'energia mondiale in energia termica, uniformemente distribuita nell'Universo. La conclusione di Clausius fu la seguente:

1. L'energia del mondo è costante

2. L'entropia del mondo tende al massimo.

Pertanto, la morte termica dell'Universo significa la completa cessazione di tutti i processi fisici a causa della transizione dell'Universo a uno stato di equilibrio con la massima entropia.

Boltzmann, che scoprì la connessione tra l'entropia S e il peso statistico P, riteneva che l'attuale stato disomogeneo dell'Universo fosse una grandiosa fluttuazione*, sebbene il suo verificarsi abbia una probabilità trascurabile. I contemporanei di Boltzmann non riconobbero le sue opinioni, il che portò a severe critiche al suo lavoro e, a quanto pare, portò alla malattia e al suicidio di Boltzmann nel 1906.

Passando alle formulazioni originali dell'idea della morte termica dell'Universo, si può vedere che non corrispondono in tutto e per tutto alle loro ben note interpretazioni, attraverso il prisma di cui queste formulazioni sono abitualmente percepite da noi. È consuetudine parlare della teoria della morte termica o del paradosso termodinamico di W. Thomson e R. Clausius.

Ma, in primo luogo, i pensieri corrispondenti di questi autori non coincidono in tutto e, in secondo luogo, le affermazioni seguenti non contengono né teoria né paradosso.

W. Thomson, analizzando la tendenza generale a dissipare l'energia meccanica che si manifesta in natura, non l'ha estesa al mondo nel suo insieme. Ha estrapolato il principio dell'aumento dell'entropia solo ai processi su larga scala che si verificano in natura. Al contrario, Clausius ha proposto un'estrapolazione di questo principio proprio all'Universo nel suo insieme, che ha agito per lui come un sistema fisico onnicomprensivo. Secondo Clausius, "lo stato generale dell'Universo deve cambiare sempre di più" nella direzione determinata dal principio dell'aumento dell'entropia e, quindi, questo stato deve continuamente avvicinarsi a un certo stato limite. Forse per la prima volta, l'aspetto termodinamico in cosmologia fu identificato da Newton. Fu lui a notare l'effetto dell '"attrito" nel meccanismo dell'universo - una tendenza che a metà del XIX secolo. detto aumento di entropia. Nello spirito del suo tempo, Newton ha chiesto l'aiuto del Signore Dio. Fu lui che fu incaricato da Sir Isaac di monitorare la carica e la riparazione di questi "orologi".

Nell'ambito della cosmologia, il paradosso termodinamico è stato riconosciuto a metà del XIX secolo. La discussione sul paradosso ha dato origine a una serie di idee brillanti di ampio significato scientifico (spiegazione "di Schrödinger" di L. Boltzmann dell'"anti-entropia" della vita; la sua introduzione delle fluttuazioni nella termodinamica, le cui conseguenze fondamentali in fisica non si sono finora esaurite; la sua grandiosa ipotesi di fluttuazione cosmologica, al di là del quadro concettuale che la fisica nel problema della "morte termica" dell'Universo non ha ancora fatto emergere; una profonda e innovativa, ma tuttavia storicamente limitata interpretazione di fluttuazione della Secondo inizio.

1.2 Uno sguardo a T.S.W. dal ventesimo secolo

Lo stato attuale della scienza è anche incoerente con l'ipotesi della morte termica dell'Universo. Prima di tutto, questa conclusione è rilevante per un sistema isolato, e non è chiaro perché l'Universo possa essere attribuito a tali sistemi.

Esiste un campo gravitazionale nell'Universo, che non è stato preso in considerazione da Boltzmann, ed è responsabile della comparsa di Stelle e Galassie: le forze gravitazionali possono portare alla formazione di una struttura dal caos, possono dare origine a Stelle dal Cosmico polvere. L'ulteriore sviluppo della termodinamica e con essa l'idea di T.S.V. Durante il XIX secolo furono formulate le principali disposizioni (principi) della termodinamica dei sistemi isolati. Nella prima metà del XX secolo la termodinamica si sviluppò principalmente non in profondità, ma in ampiezza, sorsero le sue varie sezioni: tecnica, chimica, fisica, biologica, ecc. termodinamica. Solo negli anni '40 sono apparsi lavori sulla termodinamica dei sistemi aperti vicino al punto di equilibrio e negli anni '80 è nata la sinergia. Quest'ultima può essere interpretata come la termodinamica dei sistemi aperti lontani dal punto di equilibrio. Quindi, la moderna scienza naturale rifiuta il concetto di "morte termica" in relazione all'Universo nel suo insieme. Il fatto è che Clausius ricorse nel suo ragionamento alle seguenti estrapolazioni:

1. L'Universo è considerato un sistema chiuso.

2. L'evoluzione del mondo può essere descritta come un cambiamento nei suoi stati.

entropia dell'universo della morte termica

Per il mondo nel suo insieme con la massima entropia, questo ha senso, così come per qualsiasi sistema finito. Ma la legittimità di queste estrapolazioni è di per sé altamente dubbia, sebbene i problemi ad esse associati presentino difficoltà anche per la moderna scienza fisica.