Ограничение области знания лишь небольшой группой людей ослабляет философский дух народа и ведет к духовному обнищанию.
А. Эйнштейн
Классическая термодинамика оказалась не способной решить и космологические проблемы характера протекания процессов, происходящих во Вселенной. Уильям Томпсон экстраполировал принцип возрастания энтропии на крупномасштабные процессы, протекающие в природе. На основе этого Р. Клаузиус распространил этот принцип на Вселенную в целом, что привело его к гипотезе о "тепловой смерти Вселенной". Все физические процессы, согласно второму началу термодинамики, протекают в направлении передачи тепла от более горячих тел к менее горячим. Это означает, что медленно, но верно идет процесс выравнивания температуры во Вселенной. Следовательно, будущее вырисовывается перед нами в достаточно трагических тонах:
ожидается исчезновение температурных различий в природе и превращение всей мировой энергии в теплоту, равномерно распределенную во Вселенной. Отсюда Клаузиус выдвинул два постулата:
Энергия Вселенной всегда постоянна.
Энтропия Вселенной всегда растет к максимуму.
Если принять второй постулат, то необходимо признать, что процессы во Вселенной направлены в сторону достижения состояния термодинамического равновесия, соответствующего максимуму энтропии, а следовательно, состояния, характеризуемого наибольшей степенью хаоса, беспорядка и дезорганизации. В таком случае во Вселенной наступит тепловая смерть и никакой полезной работы в ней произвести будет нельзя.
Вытекающий отсюда вывод о грядущей тепловой смерти Вселенной, означает прекращение каких-либо физических процессов вследствие перехода Вселенной в равновесное состояние с максимальной энтропией. На протяжении всего дальнейшего развития этот вывод привлекает внимание ученых, ибо затрагивает не только глубинные проблемы чисто научного характера, но также философско-мировоззренческие аспекты, указывающие определенную верхнюю границу возможного существования человечества. Такие мрачные прогнозы встретили критику со стороны ряда выдающихся ученых. Однако в середине XIX в. мало было научных аргументов для опровержения мнения Р. Клаузиуса. Только единицы догадывались, что понятие закрытой, или изолированной, системы является далеко идущей абстракцией, не отражающей реальный характер систем, которые встречаются в природе.
С научной точки зрения возникают проблемы правомерности следующих экстраполяций, высказанных Клаузиусом:
Вселенная рассматривается как замкнутая система.
Эволюция мира может быть описана как смена его состояний.
Для мира как целого состояние с максимальной энтропией имеет смысл, как и для любой конечной системы.
Проблемы эти представляют несомненную трудность и для современной физической теории. Решение их следует искать в общей теории относительности и развивающейся на ее основе современной космологии. Многие теоретики считают, что в общей теории относительности мир как целое должен рассматриваться не как замкнутая система, а как система, находящаяся в переменном гравитационном поле. В связи с этим применение закона возрастания энтропии не приводит к выводу о необходимости в нем статистического равновесия.
Проблему будущего развития Вселенной пытался разрешить и Больцман, применивший к замкнутой Вселенной понятие флуктуации. Под флуктуацией какой-то физической величины понимается отклонение истинного значения данной величины от ее среднего значения, обусловленного, например, хаотическим тепловым движением частиц системы. Больцман принял ограничение Максвелла, согласно которому для небольшого числа частиц второе начало термодинамики не должно применяться, ибо в случае небольшого числа молекул нельзя говорить о состоянии равновесия системы. При этом он использует это ограничение для Вселенной, рассматривая видимую часть Вселенной как небольшую область бесконечной Вселенной. Для такой небольшой области допустимы небольшие флуктуационные отклонения от равновесия, благодаря чему в целом исчезает необратимая эволюция Вселенной в направлении к хаосу.
К сожалению, мечта Больцмана не сбылась в полной мере. Ему не удалось найти ключ к объединению динамики и второго начала термодинамики, а предлагаемая флуктуационная модель эволюции Вселенной имела всего лишь характер гипотезы. Скептическое отношение многих ученых к атомистической теории Больцмана (сам он был убежден в том, что отстаиваемое им учение об атомах завоюет признание через много десятков лет), трудности с определением роли второго начала термодинамики в системе естествознания, а возможно, и ряд других причин привели этого замечательного ученого к трагическому концу. В 1906 году он покончил жизнь самоубийством.
XX век вносит коррективы в изучение проблем эволюции Вселенной. Формируется новое междисциплинарное направление - синергетика, и на его основе возникает теория самоорганизации сложных систем. В отличие от закрытых, или изолированных, реальными системами в природе являются открытые системы. Они обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией. Опыт и практическая деятельность свидетельствовали, что понятие закрытой, или изолированной, системы представляет собой далеко идущую абстракцию и потому она слишком упрощает и углубляет действительность, поскольку в ней трудно или даже невозможно найти системы, которые бы не взаимодействовали с окружающей средой. Поэтому в новой термодинамике место закрытой изолированной системы заняло принципиально иное фундаментальное понятие открытой системы, которая способна обмениваться с окружающей средой веществом, энергией и информацией.
Открытая система не может быть равновесной, потому что ее функционирование требует непрерывного поступления из внешней среды энергии или вещества, богатого энергией. В результате такого взаимодействия система, как указывал Эрвин Шредингер, извлекает порядок из окружающей среды и тем самым вносит беспорядок в эту среду. В открытых системах также производится энтропия, поскольку в них происходят необратимые процессы, но энтропия в этих системах не накапливается, как в закрытых системах, а выводится в окружающую среду. Поскольку энтропия характеризует степень беспорядка в системе, постольку можно сказать, что открытые системы живут за счет заимствования энергии или вещества из внешней среды. Очевидно, что с поступлением новой энергии или вещества неравновесность в системе возрастает. В конечном счете прежняя взаимосвязь между элементами системы, которая определяет ее структуру, разрушается. Между элементами системы возникают новые связи, которые приводят к кооперативным процессам, т. е. к коллективному поведению ее элементов. Так, схематически могут быть охарактеризованы процессы самоорганизации открытых систем.
Как отмечает основоположник теории самоорганизации И. Р. Пригожин, переход от термодинамики равновесных состояний к термодинамике неравновесных процессов, несомненно, знаменует прогресс в развитии ряда областей науки.
ВЫВОДЫ
1. Детерминизм - это учение о всеобщей закономерной связи явлений и процессов в окружающем мире. Причинность является одной из форм проявления детерминизма. Исторически в науке сложились два основных типа причинно-следственных связей и соответственно два типа закономерностей - динами ческие и статистические (вероятностные).
2. Современную концепцию детерминизма можно сформиро вать следующим образом: динамические законы представляют собой первый, низший этап в процессе познания окружающего нас мира; статистические законы более совершенно отображают объективные связи в природе: они являются следующим, более высоким этапом познания.
3. Наиболее ярко динамический и статистический де терминизм проявляется при рассмотрении тепловых про цессов. Динамический подход характерен термодинамике. Молекулярно-кинетическая теория использует статистичес кий метод, интересуясь не движением отдельных молекул, а только средними величинами, которые характеризуют дви жение огромной совокупности частиц. Поэтому при изучении тепловых явлений в науке используют два направления: статистические законы и термодинамические законы, изуча ющие тепловые процессы без учета молекулярного строения вещества.
4. Если к системе подводится тепло и над ней производится работа, то энергия системы возрастает до величины, равной сумме этих величин. Невозможно осуществить процесс, единс твенным результатом которого было бы превращение тепла в работу при постоянной температуре. Тепло не может перетечь самопроизвольно от холодного тела к горячему.
Энтропия есть мера неупорядоченности системы. Энтропия замкнутой системы, т. е. системы, которая не обменивается с окружением ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает.
Основываясь на связи энтропии с вероятностью, Больцман сформулировал, что природа стремится перейти из состояния менее вероятного в состояние более вероятное. Энтропия системы, находящейся в равновесном состоянии, максимальна и постоянна.
Второе начало термодинамики устанавливает в природе наличие фундаментальных асимметрий, т. е. однонаправленности всех происходящих самопроизвольных процессов. Об этой асимметрии, выделенной Клаузиусом и Кельвином, говорят все окружающие нас явления. Хотя количество энергии в замкнутых системах сохраняется, распределение энергии меняется необратимым способом. Распространение принципа возрастания энтропии на всю Вселенную привело Клаузиуса и Кельвина к гипотезе "тепловой смерти Вселенной".
Большинство систем являются открытыми, т. е. обменивающимися энергией или веществом с окружающей средой, поэтому понятие термодинамики расширялись для открытых систем. Энтропия в открытых системах может возникать и переноситься.
В стационарных неравновесных состояниях производится минимальная величина энтропии, что отражает внутреннюю инерцию и устойчивость систем, поэтому, если какие-то внешние условия не позволяют системе перейти в устойчивое равновесие, она перейдет в стационарное с минимальным производством энтропии - теорема Пригожина.
Вопросы для контроля знаний
Чем отличаются универсальные законы от статистических?
Почему лапласовский детерминизм оказался несостоятельным?
Почему причинность не совпадает с детерминизмом в целом?
Как можно было бы определить современный детерминизм?
Какие процессы называются обратимыми?
Что выражает первый закон термодинамики?
Дайте простую формулировку второго закона термодинамики.
Как можно сформулировать этот же закон с помощью понятия энтропии?
Как происходит эволюция в закрытых системах?
Кто впервые выдвинул идею "тепловой смерти Вселенной" и в чем ее несостоятельность по современным представлениям?
Как происходит самоорганизация в открытых системах?
О Вселенной мы знаем пока очень мало. На самом деле, почти ничего. Но поскольку люди задумываются о том, что происходит после их смерти, смерть целой Вселенной интересует нас не меньше. За последние годы научное сообщество выдвинуло множество теорий - вы удивитесь, узнав, насколько сильно они отличаются друг от друга. Правды, само собой, не может знать никто.
1. Большое сжатие
Самая знаменитая теория о рождении Вселенной - это теория Большого взрыва. Она гласит, что вся материя изначально существовала как сингулярность - бесконечно плотная точка посреди великого ничто. А потом по непонятным причинам произошёл взрыв. Материя вырвалась наружу с невероятной скоростью и постепенно стала известной нам Вселенной.
Как вы могли догадаться, Большое сжатие - это Большой взрыв «наоборот». Вселенная постепенно расширяется под воздействием собственной гравитации, но этому должен быть предел - некая конечная точка, граница. Когда Вселенная достигнет этой границы, то прекратит расширяться и начнёт сжиматься. Тогда вся материя (планеты, звёзды, галактики, чёрные дыры -всё) снова сожмётся в одну бесконечно плотную точку.
Правда, последние данные этой теории противоречивы - учёные недавно обнаружили, что Вселенная расширяется всё быстрее.
2. Тепловая смерть Вселенной
В общем и целом Тепловая смерть - противоположность Большому сжатию. Согласно теории, гравитация способствует тому, что Вселенная продолжит расширяться в геометрической прогрессии. Галактики будут отдаляться от друга всё дальше и дальше, подобно несчастным любовникам, и всеобъемлющая чёрная пропасть между ними будет расти.
Вселенная следует тем же правилам, что и любая термодинамическая система: тепло равномерно распределяется по всему, что в ней есть. Всё вещество Вселенной равномерно распределено среди холодного, скучного и тёмного «тумана».
В конце концов все звёзды, одна за другой, вспыхнут и погаснут, а энергии для появления новых звёзд уже не будет - вселенная погаснет. Материя всё ещё останется на месте, но в форме частиц, чьё движение будет полностью хаотичным. Эти частицы будут сталкиваться друг с другом, но без обмена энергией. А люди? Люди тоже станут всего-навсего частицами посреди бескрайней пустоты.
3. Тепловая смерть плюс чёрные дыры
Согласно популярной теории, вся материя во Вселенной движется вокруг чёрных дыр: в центре почти всех известных нам галактик есть сверхмассивные чёрные дыры. Это может означать, что звёзды и даже целые галактики в итоге будут уничтожены, как только попадут в горизонт событий.
Когда-нибудь эти чёрные дыры поглотят большую часть материи, и мы останемся один на один с тёмной Вселенной. Время от времени здесь будут появляться вспышки света - это будет означать, что какой-то объект оказался достаточно близко к чёрной дыре, чтобы выделить энергию. Затем снова станет темно.
Потом более массивные чёрные дыры поглотят менее массивные и станут таким образом ещё больше. Но это ещё не конец Вселенной: чёрные дыры со временем испаряются (теряют свою массу), так как излучают то, что в современной науке получило название излучение Хокинга. И когда умрёт последняя чёрная дыра, во Вселенной останутся только равномерно распределённые частицы с излучением Хокинга.
4. Конец времени
Если и есть в этом мире хоть что-то вечное, то это, безусловно, время. Независимо от того, будет ли существовать Вселенная, время-то уж точно никуда не исчезнет - без него просто не было бы никакой возможности отличить предыдущий момент от последующего. Но что если время просто застынет? Что если того, что мы понимаем под моментами, вообще не будет? Всё застынет в одном и том же бесконечном мгновении - навсегда.
Предположим, мы живём в бесконечной Вселенной с бесконечным временем. Это значит, что всё, что может случиться, обязательно произойдёт со стопроцентной вероятностью. Такой же парадокс возникает, если вы живёте вечно. Представьте, что время вашей жизни неограниченно, поэтому всё, что только может произойти с вами, тоже обязательно произойдёт, причём бесконечное количество раз. Таким образом, если вы живёте вечно, то шанс ненадолго выбыть из строя составляет 100%, и вы потратите вечность в темноте космоса. На основании этого учёные сделали предположение: время, в конце концов, остановится.
Если бы вы могли жить вечно, чтобы испытать всё это (через миллиарды лет после гибели Земли), вы бы даже никогда и не поняли, что-то пошло не так. Время просто остановится, и, по мнению учёных, всё застынет в одном мгновении, как на фотографии - навсегда. Будет просто одно и то же мгновение. Вы бы никогда не умерли, никогда бы не состарились. Это было бы своего рода псевдобессмертие. Но вы бы никогда об этом не узнали.
5. Большой отскок
Большой отскок похож на Большое сжатие, но куда более оптимистичное. Сценарий тот же: под воздействием гравитации расширение Вселенной замедляется, и в итоге вся материя собирается в одной точке. Согласно этой теории, силы быстрого сжатия будет достаточно, чтобы случился новый Большой взрыв - и тогда появится новая, юная Вселенная. Согласно этой модели, ничто не погибнет - материя просто «перераспределится».
Но физикам и физике такое объяснение не нравится. Поэтому некоторые учёные утверждают, что, возможно, Вселенная не пройдёт весь путь обратно к сингулярности. Вместо этого она приблизится к этому состоянию максимально близко, а потом «отскочит» с помощью силы, подобной той, какая возникает, когда мяч отскакивает от пола.
Большой отскок очень похож на Большой взрыв - теоретически появится новая Вселенная. Таким образом, наша с вами Вселенная может быть не первой, а, скажем, 400 по счёту. Но нет никакого способа это доказать - как и опровергнуть.
6. Большой разрыв
Независимо от того, как именно погибнет Вселенная, учёные не стесняются для названия новой теории использовать слово «Большой». Это, кстати, ещё слабо сказано. Согласно теории Большого разрыва, невидимая сила под названием тёмная энергия заставит Вселенную расширяться быстрее. В итоге она так разгонится, что просто разорвётся на части.
Большинство теорий говорят, что Вселенная погибнет ещё очень нескоро. Но теория Большого разрыва сулит ей относительно скорую смерть - по предварительным оценкам это случится через 16 млрд лет.
Планеты и, возможно, жизнь ещё будут существовать. И этот вселенский катаклизм может разом всё погубить: разорвать всё на части или скормить космическим львам, живущим между вселенными. О том, что произойдёт, можно только догадываться. Но такой конец будет куда страшнее, чем медленная тепловая смерть.
7. Метастабильность вакуума
Теория основана на идее, что Вселенная постоянно находится в нестабильном состоянии - квантовая физика вообще говорит, что она балансирует на грани устойчивости. Некоторые учёные полагают, что через миллиарды лет Вселенная шагнёт за эту грань.
Когда это произойдёт, появится своего рода «пузырь». Думайте о нём, как об альтернативной Вселенной (хотя фактически это будет та же самая Вселенная с другими свойствами). Пузырь начнёт расширяться во всех направлениях со скоростью света и уничтожать всё, с чем соприкоснётся. И в итоге уничтожит всё.
Но не волнуйтесь: Вселенная при этом всё ещё будет существовать. Только законы физики в ней будут совершенно другими, но там тоже вполне может возникнуть жизнь. Только там не будет ничего, что мы, люди, будем в состоянии понять.
8. Временной барьер
Если мы попробуем рассчитать, какова вероятность существования мультивселенной, в которой есть бесконечное число вселенных, но немного (или совершенно) разных, то столкнёмся с той же проблемой, что и в теории о Конце времени: всё, что может случиться, обязательно случится.
Чтобы обойти эту проблему, учёные берут отдельный участок Вселенной и вычисляют вероятность его существования. Расчёты кажутся логичными, но делят Вселенную на отдельные куски - как торт. И у каждого куска есть граница, как у областей на политической карте мира. Только надо представить, что каждую страну разделяет устремляющая в небо стена.
Эта модель может существовать только в том случае, если границы - настоящие, физические, за пределы которых ничто не может выйти. Согласно расчётам, в ближайшие 3,7 млрд лет мы пересечём этот временной барьер, и для нас вселенная закончится.
Это в общих чертах - понимания физики, чтобы описать теорию более детально, у нас не хватает. У физиков, правда, тоже. Но перспектива кажется жутковатой.
9. Конца Вселенной не будет! (…мы же живём в мультивселенной, да?)
В мультивселенной бесконечные вселенные могут возникать в пределах всего существующего или за его пределами. Вселенные могут начинаться с Большого взрыва. Наша может закончиться Большим сжатием или Большим разрывом, или вообще Большим пинком (такую теорию ещё не придумали, так что если у вас есть знакомые физики, можете подкинуть им идею).
Но это не имеет значения: в мультивселенной наша Вселенная - не уникальный случай, она просто одна из многих. И хотя она может погибнуть, с мультивселенной при этом ничего особенного не случится. А значит, конца не будет.
Несмотря на то, что даже само время в других вселенных может быть совершенно другим и вести себя по-другому, новые вселенные в мультивселенной появляются всё время (извините за каламбур). Согласно физике, новых вселенных всегда будет больше, чем старых, так что в теории число вселенных постоянно растёт.
10. Вечная Вселенная
То, что Вселенная всегда была и всегда будет - одна из первых разработанных людьми концепций о её природе. Но есть и нечто посерьёзнее.
Можно предположить, что Большой взрыв был началом времени. Но возможно и то, что время существовало до него, а сингулярность и взрыв могли появиться из-за столкновения двух бран - листообразных структур пространства, формирующихся на более высоком уровне существования. Согласно этой модели, Вселенная циклична и всегда будет расширяться и сжиматься.
Теоретически мы может узнать это наверняка в ближайшие 20 лет. У учёных есть спутник «Планк» специально для наблюдений за Вселенной. Конечно, это нелегко, но учёные всё же могут понять, с чего началась наша Вселенная и чем она закончится. Теоретически, опять же.
Мы живем в странное время, когда писатели и кинематографисты буквально фонтанируют фантазиями на тему конца света. На самом же деле наш финал не будет похож на киносценарий с хэппи-эндом: если Вселенной суждено погибнуть, людей просто сметет, как песчинку с пляжа. У нас не получится остановить этот процесс. И, скорее всего, мы даже не успеем понять, что происходит.
10. Разумное разрушение
До изобретения ядерного оружия никто и подумать не мог, что одна бомба может уничтожить целый город. Однако все изменилось после атаки на Хиросиму 6 августа 1945 года. Люди впервые столкнулись с технологией такой разрушительной силы. Это привело к появлению концепции «разумного разрушения»: однажды человек сделает или изобретет нечто такое, что уничтожит Вселенную. Хорошие новости: всех наших ядерных запасов не хватит даже для того, чтобы разрушить Землю. Но кто сказал, что мы единственные разумные существа во Вселенной? .
9. Конец игры
Одна из самых шокирующих теорий относительно нашей реальности заключается в том, что жизнь — это всего лишь компьютерная симуляция . По словам философа Ника Бострома из Оксфордского университета, поскольку компьютеры постоянно совершенствуются, в какой-то момент у людей разовьются настолько мощные вычислительные способности, что они смогут сами моделировать виртуальные миры. Если до этого кто-то не выключит программу, в которой моделями являемся мы сами. Мы даже не успеем осознать, что Вселенной пришел конец.8. Разрушение основ
По одной из теорий наша Вселенная возможна благодаря существованию физических постоянных вроде скорости света или массы протона. Если бы хоть одна из этих фундаментальных констант имела другое значение, то нас бы просто не было. Как ни странно, австралийские физики выяснили, что с момента Большого Взрыва постоянная тонкой структуры изменилась в пространстве и времени . Это означает, что и другие константы могли меняться с течением времени. И если так пойдет и дальше, то однажды Вселенная просто рассыплется на мелкие частички. А планеты и звезды взорвутся. Правда, произойдет это не раньше, чем через 3 млрд лет.7. Столкновение с другой вселенной
Что находится за пределами нашей Вселенной? Вероятно — другие вселенные. И если теория множественных вселенных верна, то однажды может произойти великое столкновение. Не исключено, что нечто подобное уже случалось, поскольку наша Вселенная искривлена. Однако в следующий раз последствия могут быть куда более катастрофическими. Другая вселенная может существовать по физическим законам, которые отличаются от наших. Она может врезаться в нас на скорости, близкой к скорости света. Если бы мы могли наблюдать столкновение в замедленном режиме , это выглядело бы так, словно на нас падает гигантское зеркало.6. Большое сжатие
С момента Большого Взрыва, который произошел 13,8 млрд лет назад, Вселенная расширяется. Большинство физиков считают, что Вселенная бесконечна, однако есть и противоположное мнение. Если это не так, значит, в какой-то момент она начнет сжиматься — подобно волнам, которые откатываются назад в океан. Вселенная будет уменьшаться и схлопнется в одну точку . Теория Большого сжатия подкреплена теорией относительности Эйнштейна. Однако не стоит волноваться: если нечто подобное и произойдет, то через миллиарды лет.5. Осциллирующая Вселенная
Согласно современным представлениям, Большой Взрыв произошел из сингулярности, то есть из одной точки. Но откуда взялась эта точка? Свое объяснение предлагает теория осциллирующей Вселенной: Большой Взрыв возник после коллапса другой вселенной. Это значит, что наша Вселенная когда-нибудь вновь сожмется в одну точку и из нее возникнет новый мир. Что интересно: если теория верна, значит, мы понятия не имеем, произошла ли наша Вселенная после первого коллапса или после миллион первого .4. Барьер смерти
Вселенная будет расширяться, пока не достигнет физического барьера . Как если бы хоккейный каток заливали большим количеством воды — и в конце концов она бы ударилась о бортики и перестала растекаться. Согласно расчетам, барьера Вселенная достигнет примерно через 3,7 млрд лет. А вероятность того, что он вообще существует, составляет 50%.3. Большое поглощение
4 июля 2012 года Большой адронный коллайдер наконец-то подтвердил существование бозона Хиггса. Так называемое «поле Хиггса» пронизывает Вселенную. Интересно, что у этого поля могут быть разные состояния — подобно тому, как вещество может быть жидким, твердым и газообразным. Сейчас поле находится на низком энергетическом уровне, однако оно может перейти как на более высокий, так и на еще более низкий. Последний вариант, по мнению исследователей, более вероятен. Этот энергетический «провал» может быть вызван квантовой флуктуацией. В результате новое маломощное поле Хиггса образует пузырь, который начнет расширяться со скоростью света и поглощать все, что попадется у него на пути. То есть нашу Вселенную . Но у этой пессимистичной теории есть два светлых пятна. Первое — у нас в запасе имеется несколько миллиардов лет. И второе — все случится настолько быстро, что мы не успеем испугаться.2. Большое замерзание
Сценарий, также известный как Тепловая смерть, основан на втором законе термодинамики — об увеличении энтропии в закрытых системах. Вселенная будет расширяться, а объекты в ней — удаляться друг от друга. Когда энтропия достигнет максимума, энергия будет равномерно распределена, а все процессы остановятся. Звезды остынут, материя распадется… Одним словом, все кругом перестанет работать .1. Большой разрыв
Вселенная на 68,3% состоит из загадочной темной энергии, о которой физики знают не так уж много. До ее открытия ученые считали, что расширение Вселенной с момента Большого Взрыва либо замедлилось, либо прекратилось. Однако, наблюдая за сверхновыми, астрофизики пришли к выводу, что расширение на самом деле ускоряется, и причина тому — темная энергия. Именно она может привести к тому, что называется Большим разрывом. Этот сценарий гибели Вселенной основан на предположении, что со временем темная энергия набирает силу, все более активно «расталкивая» галактики и космические объекты, разрывая все существующие связи и структуры. Одним словом, Вселенная распадется на мельчайшие частицы . Но нас на финальное шоу не позовут — скорее всего, человечество вымрет гораздо раньше.Всегда ли справедлив закон?
Часто кажется, что связь физики с медициной и биологией - отличительная примета современной науки. Нет, взаимопроникновение наук началось значительно раньше. Работы классиков естествознания подтверждают эту мысль.
Например, Роберт Майер впервые стал думать о тепловых явлениях, когда наблюдал в тропиках цвет… крови людей. Он обратил внимание, что у жителей южных стран кровь в венах значительно темнее. Значит, сделал вывод Майер, при повышении температуры окружающей среды нужна меньшая затрата энергиидля поддержания постоянной температуры тела и усилий на мускульные движения. В темной крови - мало кислорода.
Герман Гельмгольц , выдающийся и разносторонний ученый, изучал физические основы… зрения и слуха человека, природу мышечных сокращений. И именно ему принадлежит честь, опираясь на выводы Карно, Майера, Джоуля, облечь в окончательную форму закон сохранения и превращения энергии, который считается в настоящее время первым началом термодинамики .
«Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии вечно и неизменно. Она только переходит из одной формы в другую»,- гласит этот закон.
Тепло солнечных лучей, раскаливших южный город на картине М. Сарьяна, и подземный жар, озаряющий вершины вулканов, со временем будут укрощены человеком, станут отапливать дома и вращать турбины электростанций.
В середине XIX века было сформулировано и второе начало (второй закон) термодинамики , согласно которому изолированная от внешней среды физическая система всегда стремится к равновесному состоянию, где для нее обеспечено положение, как сложно говорят физики, «максимальной неупорядоченности». Частный случай второго закона, отмеченный еще Сади Карно,- происходящий в природе переход теплоты от более нагретого тела к менее нагретому, но не в обратном направлении.
К этому закону термодинамики ученые пришли из общих логических рассуждений. Изучая поведение газов, можно легко установить, что газ всегда стремится занять любой доступный ему объем, сжатый газ при малейшей возможности вырывается из баллона и рассеивается в атмосфере. Совершенно ясно, что из упорядоченного состояния газ при этом переходит в беспорядочное…
Второй закон термодинамики и «тепловая смерть» Вселенной
Второй закон термодинамики нашел серьезное математическое подкрепление в работах Л. Больцмана, Дж. Максвелла. Дж. Гиббса.
Опираясь на молекулярную теорию, на представление о том, что все тела состоят из постоянно и хаотично двигающихся атомов и молекул, этим знаменитым ученым удалось строго и точно описать распределение частиц в идеальных газах, найти уравнения, пользуясь которыми можно предсказать поведение частиц при изменении давления или температуры. Эти работы оказались чрезвычайно полезными не только для доказательства справедливости второго начала термодинамики, но и для многих других областей физики.
Второе начало термодинамики так верно суммировало явления, происходящие в Природе и в технических устройствах, что один из крупнейших термодинамиков прошлого века Клаузиус даже решился, опираясь на него, сделать вывод о предстоящей «тепловой смерти» Вселенной.
Согласно второму закону, все процессы в Природе идут в одну сторону, к увеличению беспорядка, и при полном беспорядке наступит «всеобщая смерть» - всякое движение прекратится.
Пустыни, переполненные людьми города и скалистые горы находятся рядом на одной и той же планете Земля. Порядок и беспорядок, покой и движение существуют здесь рядом, как и повсюду во Вселенной.
Этот грустный прогноз вызвал бурю возражений.
Людвиг Больцман выдвинул «спасительную» теорию, что Вселенную необходимо рассматривать в целом, поскольку процессы, происходящие в различных удаленных ее частях, текут независимо друг от друга, а иногда и в разных направлениях. В одной части может происходить угасание, в другой - всплеск, выделение энергии!
Фридрих Энгельс убежденно отметил в «Диалектике природы», что во Вселенной существует вечный кругооборот энергии, при этом «…материя во всех своих превращениях остается одной и той же, что ни один из ее атрибутов никогда не может быть утрачен и что поэтому с той же самой железной необходимостью, с которой она когда-нибудь истребит на земле свой высший цвет - мыслящий дух, она должна будет его снова породить где-нибудь в другом месте и в другое время».
Против теории «тепловой смерти» выступил и автор третьего начала термодинамики - Вальтер Нернст . Третье начало постулирует, что никогда, ни при каких условиях не может быть достигнут абсолютный нуль температур, хотя, конечно, сколь угодно близкое приближение к нему теоретически допустимо. Ведь абсолютный нуль температур - полное прекращение движения атомов и молекул. Это, к счастью, невозможно.
Нернст писал: «…нашему взору мир не может уже представиться хотя бы и в весьма далеком будущем в виде мрачного кладбища; мы имеем перед собой вечное возникновение и исчезновение ярких звезд».
Строгий анализ показывает, что второе начало термодинамики действительно нельзя распространять на любые явления. Оно ведь выведено для замкнутых и равновесных систем. Нашу Вселенную нельзя считать равновесной системой, бурные процессы, происходящие на близких и далеких звездах, свидетельствуют о том, что до равновесного состояния им еще очень далеко…
За последние десять-двадцать лет физики обнаружили в бездонных глубинах Вселенной необычные звезды и звездные скопления, в которых сила тяготения так велика, что оказываются вполне реальными как процессы, идущие от беспорядка к порядку, так и наоборот.
Мысли Энгельса и других противников теории «тепловой смерти» получили серьезное экспериментальное подтверждение.
Мы можем этому только порадоваться - ведь речь идет в конце концов о судьбе наших прямых потомков!