Гипотеза тепловой смерти вселенной: как закончится существование нашего мира

Тепловая смерть Вселенной | это… Что такое Тепловая смерть Вселенной?

Уильям Томсон − в 1852 году выдвинул гипотезу о ТСВ

Тепловая смерть — термин, описывающий конечное состояние любой замкнутой термодинамической системы, и Вселенной в частности. При этом никакого направленного обмена энергией наблюдаться не будет, так как все виды энергии перейдут в тепловую. Термодинамика рассматривает систему, находящуюся в состоянии тепловой смерти, как систему, в которой термодинамическая энтропия максимальна.

Содержание 1 История термина 2 Современное состояние вселенной 3 Концепция тепловой смерти вселенной в массовой культуре 4 См. также

История термина

Вывод о тепловой смерти Вселенной был сформулирован Р. Клаузиусом в 1865 году на основе второго начала термодинамики. Согласно второму началу, любая физическая система, не обменивающаяся энергией с другими системами (для Вселенной в целом такой обмен, очевидно, исключен), стремится к наиболее вероятному равновесному состоянию — к так называемому состоянию с максимумом энтропии. Такое состояние соответствовало бы тепловой смерти Вселенной. Ещё до создания современной космологии были сделаны многочисленные попытки опровергнуть вывод о тепловой смерти Вселенной. Наиболее известна из них флуктуационная гипотеза Л. Больцмана (1872 год), согласно которой Вселенная извечно пребывает в равновесном изотермическом состоянии, но по закону случая то в одном, то в другом её месте иногда происходят отклонения от этого состояния; они происходят тем реже, чем большую область захватывают и чем значительнее степень отклонения.

Современное состояние вселенной

Основная статья: Реликтовое излучение

На современном этапе существования (13,72 млрд лет) Вселенная излучает как абсолютно чёрное тело с температурой 2,725 К. Максимум спектра излучения приходится на частоту 160,4 ГГц (микроволновое излучение), что соответствует длине волны 1,9 мм. Оно изотропно с точностью до 0,001 %.

Ни доказать, ни опровергнуть гипотезу тепловой смерти Вселенной современными научными силами не представляется возможным^{[источник не указан 236 дней]}, поскольку наши знания о ней всё ещё ничтожно малы, и мы не можем с полной уверенностью утверждать, что Вселенная не находится под действием внешних сил, или может рассматриваться как замкнутая термодинамическая система^{[источник не указан 236 дней]}. Однако именно понятие тепловой смерти стало первым шагом к осознанию возможной конечности существования Вселенной, хотя нам и неизвестно, когда и по какому сценарию произойдёт её гибель.

Концепция тепловой смерти вселенной в массовой культуре

Теме тепловой смерти вселенной посвящён ряд научно-фантастических рассказов (например, рассказ «Последний вопрос» Айзека Азимова). Роли человечества в тепловой смерти вселенной посвящена песня «Неизбежность» российской группы Complex Numbers. Также данная тема легла в основу сюжета аниме «Mahou Shoujo Madoka Magica»

См. также

• Второе начало термодинамики
• Большое Сжатие
• Большой Разрыв

что это такое, когда наступит

Содержание:

• Тепловая смерть Вселенной — что это за теория
• Возможна ли тепловая смерть, когда наступит

Содержание

• Тепловая смерть Вселенной — что это за теория
• Возможна ли тепловая смерть, когда наступит

Тепловая смерть Вселенной — что это за теория

Определение

Теория о тепловой смерти Вселенной: если экстраполировать второе начало термодинамики на Вселенную, получается, что в какой-то момент она придет в состояние термодинамического равновесия с максимумом энтропии.

Определение

Энтропия — это мера необратимого рассеяния энергии.

Гипотеза о тепловой смерти, или Большом замерзании Вселенной была выдвинута Рудольфом Юлиусом Эмануэлем Клаузиусом в 1865 году.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Возможна ли тепловая смерть, когда наступит

Аргументы, доказывающие несостоятельность теории тепловой смерти:

1. Вселенная бесконечна, значит, законы термодинамики, описывающие конечные системы, нельзя применять к такому объекту в принципе.
2. В закрытых и изолированных системах, содержащих подсистемы, являются вполне возможными бесконечно длящиеся устойчивые неравновесные состояния.
3. Если учитывать гравитацию, то очень вероятно, что изотермическое распределение вещества во вселенной неоднородно . Сама по себе теория однородности вселенной не доказана и относится к области космологической философии, а не к выводам на основе наблюдаемых астрономами фактов. Напротив, наблюдаемые реликтовые холодные пятна ставят эту теорию под сомнение. При этом доказано, что вселенная расширяется, соответственно, в ней постоянно образуются новые объекты, что не позволит энтропии достичь максимума.
4. Состояние максимума энтропии в принципе является неким идеалом и статистически крайне маловероятно, и тем более не доказано, что это состояние приведет к гибели вселенной.
5. Если верна теория Большого разрыва вселенной, распад нашей галактики, Солнечной системы, Земли и атомов, оставшихся на местах этих объектов, начнется задолго до приближения к Большому замерзанию и полностью завершится примерно через 22 миллиарда лет. Это означает, что законы физики, на основе которых возможна теория о тепловой смерти Вселенной, перестанут работать, и мы не можем предсказать, что будет происходить со Вселенной. {1076}\) лет.

   Насколько полезной была для вас статья?

   Рейтинг: 1.50 (Голосов: 2)

   Выделите текст и нажмите одновременно клавиши

   «Ctrl» и «Enter»

   Поиск по содержимому

   «Тепловая смерть» Вселенной не гарантирована.

   Кредиты. и космическая сложность».

   Возможно, самая удручающая научная идея, которая когда-либо выдвигалась, — это печально известная «гипотеза тепловой смерти». Это теория будущего Вселенной, основанная на втором законе термодинамики, который в своей наиболее известной форме утверждает, что энтропия, сложный и запутанный термин, обычно понимаемый просто как «беспорядок», имеет тенденцию увеличиваться со временем в закрытая система. Поэтому, если учесть, что 9Вселенная 0007 сама по себе является закрытой системой, закон, кажется, предполагает, что космос становится все более дезорганизованным. Это также было описано многими как «сворачивание».

   Таким образом, второй закон, похоже, содержит леденящее кровь пророчество для человечества в очень долгосрочной перспективе. По сути, это означает, что жизнь обречена — не только жизнь на Земле, но и жизнь где угодно в космосе. Сознание, творчество, любовь — всему этому суждено исчезнуть по мере того, как Вселенная становится все более беспорядочной и растворяется в энтропии. Жизнь была бы просто преходящей статистической флуктуацией, которая исчезнет вместе со всеми мечтами о нашем существовании, имеющим некий вечный смысл, цель или постоянство. Эта мрачная идея известна как «гипотеза тепловой смерти», и пророчество предсказывает будущее, в котором исчезнут всякая структура и организация. В этой космологической модели всему должен прийти конец. Просто нет возможности для постоянного существования.

   К счастью, самая мрачная теория всех времен может быть всего лишь спекулятивным предположением, основанным на непонимании второго закона термодинамики. Во-первых, этот закон может быть неприменим ко Вселенной в целом, потому что типы систем, на которых он был проверен эмпирически, имеют четко определенные границы. Расширяющаяся Вселенная — нет. Во-вторых, в зависимости от того, как интерпретировать второй закон, неизбежное увеличение энтропии может не соответствовать увеличению космического беспорядка.

   Некоторые ведущие ученые начинают думать, что космос становится все более сложным и организованным в результате действия законов физики и вытекающей из них эволюционной динамики. Сет Ллойд, Эрик Чейссон и Фриман Дайсон — одни из известных имен, которые задаются вопросом, не растет ли «беспорядок» в космосе. Помимо физики, теоретик сложности Стюарт Кауфман, нейробиолог Кристоф Кох и технический директор Google Рэй Курцвейл считают, что Вселенной не суждено навсегда стать более дезорганизованной, а стать более сложной и насыщенной информацией. Многие из них имеют компьютерный взгляд на Вселенную, в котором жизнь играет особую роль.

   Как написал Пол Дэвис, плодовитый автор и очень уважаемый физик-теоретик: «Теперь мы видим, как вселенная может одновременно увеличивать как организацию, так и энтропию. Оптимистичная и пессимистичная стрелы времени могут сосуществовать: Вселенная может демонстрировать творческий однонаправленный прогресс даже вопреки второму закону». Другими словами, если мы лучше поймем второй закон, мы увидим, что он на самом деле не запрещает непрерывный рост сложности и порядка в природе.

   «По сути, гипотеза тепловой смерти, похоже, подразумевает, что жизнь обречена — не только жизнь на Земле, но и жизнь где угодно в космосе».

   Это космическое повествование, которое физик-теоретик и писатель Джулиан Барбур предлагает в своей новой книге «Точка Януса: новая теория времени», получившей похвалу от некоторых авторитетных имен в мире физики, таких как Мартин Рис, Шон Кэрролл и Ли Смолин. Барбур считает, что второй закон — по крайней мере, в его общепринятой интерпретации — неприменим ко Вселенной в целом, поскольку она всегда расширяется благодаря загадочной силе, известной как темная энергия. Старая история о нарастающем космическом беспорядке, заключает Барбур, может оказаться полной противоположностью тому, что происходит на самом деле. Поскольку Вселенная не является ограниченной системой, порядок может расти бесконечно.

   Барбур не одинока. Дэвид Дойч, отец квантовых вычислений, выразил аналогичную точку зрения в своем бестселлере «Начало бесконечности», в котором он утверждает, что нет фундаментальных ограничений для создания знаний. Это гораздо более сильное утверждение, чем утверждение Барбура, потому что оно конкретно предполагает, что жизнь  во вселенной не обязательно должна заканчиваться.

   Жизнь является важной частью космической истории, потому что рост сложности и организации вступает в новую фазу, когда появляется биология. Жизнь — это особая форма сложности: она способна создавать еще большую сложность и поддерживать организованность вопреки тенденции к беспорядку. Во Вселенной, расширяющейся без ограничений, способность разумной жизни постоянно создавать сложный порядок не может быть ограничена законами термодинамики так, как это когда-то представлялось.

   Эта история о постоянном усложнении, казалось бы, идет вразрез со вторым законом, незыблемой опорой физики. Помните, однако, что и первый, и второй законы термодинамики были сформулированы до того, как мы узнали, что Вселенная расширяется. Чтобы понять, применимы ли эти законы ко Вселенной в целом, а не только к системам внутри Вселенной, мы должны вкратце изучить историю термодинамики и понять ее связь с явлением, которое мы называем жизнью.

   Doom

   В двух областях термодинамики — классической и статистической – есть слегка различающиеся версии второго закона. Первая возникла примерно за полвека до второй и касалась потоков тепла и энергии. Статистическая термодинамика пыталась объяснить открытия классической термодинамики с точки зрения поведения ансамблей молекул и атомов, и ее больше интересовало, как конфигурации частиц меняются с течением времени.

   Можно сказать, что первоначальная версия второго закона, классическая версия, касалась распространения энергии , тогда как статистическая версия больше касалась упорядоченных конфигураций частиц, которые становятся более неупорядоченными

   . Хотя эти две версии тесно связаны и во многих случаях становятся эквивалентными, они не имеют одинаковых космических последствий.

   Идеи, которые впоследствии станут вторым законом, восходят к работам французского инженера Сади Карно в начале 1800-х годов. Карно хотел понять, как сделать паровые двигатели более эффективными, анализируя, как они используют энергию. Он понял, что тепло будет спонтанно течь от более горячих систем к более холодным, но никогда в обратном направлении. Мы все сталкиваемся с этим явлением ежедневно, когда горячая ванна или чашка кофе неизбежно остывают до комнатной температуры, так как тепло отдается окружающему воздуху. Карно указывал, что этот поток тепла создает движущую силу, которую можно использовать для приведения в действие машин. Благодаря циклу нагрева и охлаждения пара внутри камеры (известной как цилиндр) с подвижной стенкой на одной стороне (известной как поршень) вы можете создать силу движения, которая может привести в действие двигатель.

   Что Карно проницательно заметил в этом процессе, так это то, что его нельзя сделать эффективным на 100%. На этом основан первоначальный второй закон термодинамики. Преобразование тепловой энергии в механическую всегда связано с потерей некоторого количества полезной энергии в окружающую среду в виде тепла. Как только эта полезная энергия

   рассеивается , то есть распространяется и теряется в окружающей среде, ее больше нельзя использовать для выполнения физической работы. Потерянная энергия технически все еще существует где-то там, во Вселенной, но ее нельзя извлечь для чего-то полезного, например, для поддержания работы двигателя или какой-либо другой машины. Поскольку жизнь — это своего рода машина, это влияет на то, как долго она может существовать во Вселенной.

   Поскольку Карно был инженером, его идеи были в значительной степени неизвестны или игнорировались физическим сообществом на протяжении десятилетий, пока два гиганта в этой области — лорд Кельвин и Рудольф Клаузиус — не объяснили их значение и актуальность для зарождающейся науки термодинамики.

   В новом поле были предложены два основных закона, которые, если их объединить, кажутся космическими. Первый закон гласит, что энергия сохраняется. Это означает, что его нельзя создать или уничтожить — подразумевая, что общая сумма фиксирована — хотя его можно преобразовать из одной формы в другую. Второй по сути говорит, что существует «свободная энергия» — или энергия, доступная для выполнения работы, — но поскольку эта энергия используется для механической работы, часть ее неизбежно рассеивается, поскольку она преобразуется в тепло, форму энергии, которая больше не используется. полезный. Как только энергия рассеивается таким образом, становится невозможно использовать ее для выполнения механической работы, например, для создания силы, которая могла бы привести систему в действие.

   В 1852 году лорд Кельвин  написал статью с тем, что считается первым утверждением второго закона, который он описал как универсальную тенденцию к рассеянию механической энергии .

   Термин «энтропия», введенный Клаузиусом в 1865 году, первоначально определялся как мера энергии в системе, которая больше не доступна для работы . Таким образом, энтропия относится к рассеянной энергии, а не к структурному беспорядку.

   «Преобразование тепловой энергии в механическую всегда связано с потерей некоторого количества полезной энергии в окружающую среду в виде тепла».

   По сути, эти открытия предполагали, что ограниченный запас свободной энергии всегда распространяется и рассеивается, поэтому наступит время, когда дальнейшая механическая работа будет невозможна, включая работу, необходимую для поддержания биологического механизма, который мы называем «жизнью». ». Одна за другой звезды, снабжающие энергией биологию, будут излучать пригодную для использования энергию, и жизнь прекратится.

   Эта грустная история не только местная; все звезды во всем космосе в конечном итоге сгорят, что приведет к деградации любой биосферы в любом месте. Даже если какая-то форма жизни сможет разработать технологию для исследования космоса, в конечном итоге вся полезная энергия во Вселенной будет преобразована в тепло, не оставив энергетического топлива для потребления продвинутыми формами разума.

   По крайней мере, так предполагалось во второй половине XIX века. Этот сценарий стал известен как «тепловая смерть» Вселенной, и он казался гвоздем в гроб любой оптимистичной космологии, которая обещала или даже допускала вечную жизнь и сознание. Например, одна из самых популярных космологических моделей того времени была выдвинута эволюционным теоретиком Гербертом Спенсером, современником Чарльза Дарвина, который в свое время был более известен, чем он. Спенсер считал, что поток энергии через вселенную организует ее. Он утверждал, что биологическая эволюция была лишь частью более крупного процесса космической эволюции, и что жизнь и человеческая цивилизация были текущими продуктами процесса постоянного космического усложнения, который в конечном итоге приведет к состоянию максимальной сложности, интеграции и баланса между всеми. вещи.

   Когда выдающийся ирландский физик Джон Тиндалл рассказал Спенсеру о гипотезе тепловой смерти в письме в 1858 году, Спенсер ответил ему, что это повергло его в «ошеломление»: «Действительно, не видя выхода из вывода, я помню быть не в духе в течение нескольких дней после этого. Я все еще чувствую беспокойство по этому поводу».

   Ситуация стала еще более мрачной, когда австрийский физик Людвиг Больцман во второй половине XIX в. выдвинул новую статистическую интерпретацию второго закона.век. Именно тогда появилась идея о том, что Вселенная становится все более беспорядочной. Больцман взял классическую версию второго закона — полезная энергия неизбежно рассеивается — и попытался дать ей статистическое объяснение на уровне столкновения и разбегания молекул. Он использовал одну из самых простых возможных моделей: газ, ограниченный ящиком.

   Как выделение газа в ящике объясняет рассеяние полезной энергии? Во-первых, следует понимать, что газ — это совокупность быстро и хаотично движущихся молекул, частиц, которые Больцман считал похожими на маленькие бильярдные шары, движущиеся по фиксированным траекториям. Поскольку великий шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл недавно показал, что кинетическая энергия молекулы определяется тем, насколько быстро она движется, Больцман предположил, что рассеяние полезной энергии, описанное лордом Кельвином, вызвано очагами возбужденного молекулярного движения, распространяющимися в пространстве. из-за случайных столкновений между соседними молекулами.

   Например, если карман высоковозбужденных молекул газа начинается в какой-то упорядоченной конфигурации — скажем, молекулы сгруппированы вместе в одном углу ящика — со временем ансамбль частиц будет развиваться, становясь все более рассредоточенным, или «беспорядочный». Когда существует упорядоченный карман возбужденного молекулярного движения, в системе существует градиент энергии и потенциал для выполнения некоторой работы, но по мере того, как эти молекулы взаимодействуют со своими соседями и это возбужденное движение рассеивается, градиент исчезает. Это рассеивание молекулярного порядка и свободной энергии продолжается до тех пор, пока газ не достигнет состояния максимальной энтропии и беспорядка, известного как 9.0007 термодинамическое равновесие . Парадоксальным образом это состояние «полного беспорядка» выглядит как равномерное распределение молекул газа.

   Читать Ноэма в печатном виде.

   Молекулы газа расходятся таким образом по простой статистической причине: молекулы газа могут располагаться в беспорядочном беспорядке гораздо большим количеством способов, чем в некоторой упорядоченной конфигурации. Другими словами, упорядоченное расположение частиц, движущихся случайным образом, естественным образом становится более неорганизованным. Так же, как в пуле, где шары начинаются в упорядоченном порядке, но рассредоточиваются и смешиваются при столкновении.

   Больцман, как до него Клаузиус и Кельвин, пытался применить свою версию второго закона ко всей вселенной, которая, как он предполагал, должна быть гигантской замкнутой системой атомов и молекул, хаотично скачущих вокруг, мало чем отличающейся от его газ в коробке. Согласно его версии второго закона термодинамики, вся Вселенная — как система, состоящая из атомов, движущихся в соответствии с физическими законами — должна в конечном итоге стремиться к более беспорядочной и случайной конфигурации, как и его ящик с молекулами газа. Чтобы объяснить, почему во Вселенной вокруг него было так много сложности и порядка, он предположил, что Вселенная должна была начаться в чрезвычайно упорядоченном состоянии, которое с тех пор превратилось в то, что мы видим сегодня, или что упорядоченное положение вещей, которое мы видим в наша шея в космическом лесу была результатом временного статистического отклонения от общей тенденции к беспорядку.

   «Вселенная может становиться все более организованной благодаря распространению разумной жизни, пока она может находить свободную энергию, необходимую для построения и поддержания созданной ею космической организации».

   Конечно, было много проблем со сравнением больцмановской модели «газ в коробке» со Вселенной. Переход от порядка к беспорядку происходит только тогда, когда частицы в системе не становятся статистически коррелированными друг с другом с течением времени. Теорема Больцмана H , на которой основана идея естественной тенденции к беспорядку, предполагает «молекулярный хаос». Но молекулярные и химические силы часто заставляют атомы и молекулы слипаться в более крупные и сложные структуры — это означает, что газ, развивающийся в ящике, не является точным представлением всей динамики в природе.

   Модель Больцмана также игнорировала влияние гравитации, которую часто описывают как антиэнтропийную силу из-за ее комкующего воздействия на материю. Влияние гравитации на небольшие объекты, такие как молекулы газа, по существу настолько незначительно, что им можно пренебречь во всех практических целях, а это означает, что вы можете не учитывать силу в модели и при этом делать точные прогнозы о состоянии системы. Но в масштабах Вселенной эффекты гравитации становятся чрезвычайно важными для развивающейся структуры системы. Гравитация — это один из факторов, способствующих росту порядка в космосе, и хороший пример того, почему эволюция Вселенной сильно отличается от газа, растекающегося по ящику.

   Конечно, сила притяжения не объясняет возникновение жизни, которая бросала вызов больцмановской тенденции к беспорядку в течение примерно четырех миллиардов лет. Жизнь не только представляет собой формирование сложности, она конструирует ее еще больше. Чем объясняется этот парадокс? Как биосфера становится более сложной и организованной, если существует тенденция распада организованных систем? Если космическая сложность должна постоянно расти, то этот процесс, как ни странно, будет зависеть от жизни, единственной формы сложности, которая может создать большую организацию и активно поддерживать себя.

   Квантовый физик Эрвин Шредингер объяснил этот парадокс в своей книге 1944 года «Что такое жизнь?». Шредингер заметил, что вместо дрейфа к термодинамическому равновесию — что для жизни означает состояние смерти и разложения — биологические организмы поддерживали свое упорядоченное жизненное состояние, потребляя свободную энергию из окружающей среды (которую он назвал «отрицательной энтропией»). Закон Больцмана о возрастающем беспорядке применим только к закрытым системам, а жизнь на Земле — это открытая система. Он постоянно получает полезную энергию от солнца, что уводит его от термодинамического равновесия.

   Конечно, без постоянного поступления энергии наступает равновесие и жизнь погибает. Но, питаясь свободной энергией окружающей среды, упорядоченные системы могут платить физическую цену за то, чтобы оставаться организованными и функциональными, точно так же, как сжигание большего количества угля позволяет паровому двигателю продолжать функционировать. Стоимость – это рассеивание свободной энергии и производство тепловой энтропии в виде тепла, которое постоянно выделяется в окружающую среду.

   Таким образом, непрерывный рост сложности в форме биологической и технологической организации — иными словами, биосферы и находящегося над ней слоя промышленности и техники — не нарушает классическую версию второго начала термодинамики. . Поскольку биосфера — это открытая система, постоянно получающая энергию от солнца, она может постоянно строить и поддерживать порядок. Локальные уменьшения конфигурационной энтропии (беспорядка) оплачиваются одновременным увеличением тепловой энтропии (тепла), вызванным постоянным использованием жизни свободной энергии. Пока свободная энергия продолжает использоваться и рассеиваться, общее количество энтропии во Вселенной увеличивается, а классическая версия второго закона остается неизменной.

   Однако важно отметить, что производство тепла — это не то же самое, что создание структурного беспорядка. Энергия становится более рассеянной по мере самоорганизации Вселенной, и это все, чего требует второй закон в данном контексте. Можно сказать, что энергетический беспорядок увеличивается по мере роста структурного порядка .

   Это означает, что Вселенная может становиться все более организованной за счет распространения разумной жизни, пока она может находить свободную энергию, необходимую для построения и поддержания созданной ею космической организации. К счастью, вселенная предлагает огромный океан полезной энергии существам, достаточно разумным, чтобы знать, как ее извлекать. Теоретически сверхразумная цивилизация могла бы распространяться по космосу, превращая всю материю в своем окружении в экзотические формы биологических и вычислительных машин. Этот сценарий может быть трудно визуализировать, но он не будет сильно отличаться от того, как жизнь перешла от существования только в одной точке на Земле, даже невидимой невооруженным глазом, к охвату всей планеты.

   Но как долго это могло продолжаться? Великий писатель-фантаст Айзек Азимов назвал это «Последним вопросом» в получившем признание критиков рассказе о судьбе жизни во Вселенной. История ставит под сомнение преобладающее мнение о применимости второго закона ко всей вселенной, предположение, сделанное рядом персонажей этой истории: «Как бы ни экономили, как бы ни растягивали, когда-то израсходованная энергия ушла и не может быть восстановлена. Энтропия должна возрасти до максимума». Скептицизм Азимова, возможно, был одним из его самых прозорливых прозрений. В свои 1964 биографический очерк Клаузиуса, Азимов назвал гипотезу тепловой смерти «научным аналогом Страшного суда» и отмечает, что «ее обоснованность сейчас менее очевидна, чем столетие назад. Хотя законы термодинамики незыблемы как никогда, космологи гораздо менее уверены в том, что законы, выведенные в этом маленьком сегменте Вселенной, обязательно применимы ко Вселенной в целом, и существует определенная готовность воздержаться от суждений по этому вопросу. тепловой смерти».

   Пространство

   В 1960-х годах гарвардский космолог Дэвид Лайзер указал, что хотя энтропия Вселенной будет продолжать увеличиваться в соответствии со вторым законом термодинамики, то есть расширяющийся разум всегда будет преобразовывать больше свободной энергии в тепловую энтропию — максимально возможная энтропия расширяющейся Вселенной, по-видимому, будет увеличиваться быстрее, чем фактическое увеличение энтропии, что обеспечивает непрерывный рост порядка и сложности. Он назвал это «энтропийным разрывом» — разницей между фактической энтропией Вселенной и ее максимально возможной энтропией. Пока существует этот разрыв, Вселенная не будет находиться в термодинамическом равновесии, а это означает, что будут существовать градиенты энергии, из которых жизнь может извлекать работу.

   Теперь мы знаем, что Вселенная не просто расширяется, что подтвердил телескоп «Хаббл» в 1929 году, но что расширение ускоряется с возрастающей скоростью из-за таинственной силы, известной как «темная энергия», существование которой теоретизировалось еще до рубеж тысячелетий. Эти события дают нам основания полагать, что разрыв в энтропии сохранится и в будущем, так что Вселенная может никогда не прийти в состояние равновесия, предсказываемое гипотезой тепловой смерти.

   В своей книге 2016 года «Человечество в творческой Вселенной» теоретик сложности Стюарт Кауфман объяснил значение этого: «[Нам] не нужно беспокоиться о достаточном количестве свободной энергии. По мере того, как Вселенная становится больше, ее максимальная энтропия увеличивается быстрее, чем потеря свободной энергии по второму закону, поэтому свободной энергии всегда более чем достаточно для совершения работы».

   Но откуда берется эта, казалось бы, неограниченная свободная энергия, если первый закон термодинамики предполагает, что природа имеет фиксированное и конечное количество?

   Оказывается, первый закон термодинамики может быть неприменим ко Вселенной в целом, как предполагалось, хотя закон сохранения энергии применим к системам во Вселенной. Вызовы нашему традиционному представлению о первом законе не редкость в современной физике. Например, теория космической инфляции — ведущая космологическая модель того, как Вселенная наполнилась всей ее энергией и материей, — предполагает, что в ранний период расширения, через мизерные доли секунды после Большого взрыва, новая материя и энергия непрерывно накапливались. создан из ничего. Фактически, теория космической инфляции предполагает, что создается все больше и больше вселенных, поэтому во всей реальности, представляемой этой моделью, создание материи никогда не заканчивается.

   Теория космической инфляции может сосуществовать с первым законом только в том случае, если мы разделим всю энергию в мире на две противоположные категории энергии: положительную и отрицательную. Так называемая «положительная энергия», связанная с новой материей, уравновешивается «отрицательной энергией» гравитационной силы, связанной с этой материей. Согласно этой модели, сумма энергии Вселенной равна нулю. Это может показаться отчаянной попыткой космологов спасти первый закон, но математически это работает. По этой причине Алан Гут называет вселенную “лучшим бесплатным обедом”. В принципе, новая энергия может создаваться непрерывно, пока соотношение положительной и отрицательной энергии остается сбалансированным. Хотя последствия этой концепции туманны, ясно, что применение первого и второго законов термодинамики к космосу в целом может оказаться очень сложным.

   «Эти новые разработки дают нам основания полагать, что разрыв в энтропии сохранится и в будущем, так что Вселенная может никогда не прийти в состояние равновесия, предсказанное гипотезой тепловой смерти».

   Дойч размышляет о том, может ли жизнь использовать темную энергию непосредственно для вычислений, в своей книге 2011 года «Начало бесконечности»: «В зависимости от того, чем окажется темная энергия, вполне возможно использовать ее в отдаленных будущем, чтобы обеспечить энергию для создания знаний, чтобы продолжаться вечно».

   С тех пор некоторые физики утверждают, что теоретически темную энергию можно использовать в качестве источника энергии. В документе конференции, опубликованном Американским астрономическим обществом, говорится, что «теоретически простые машины могут извлекать локальную энергию из гравитационно-отталкивающей космологической постоянной», даже если «количество энергии, которое может быть высвобождено в местных условиях, на много порядков больше». слишком мал, чтобы быть полезным или даже обнаруживаемым».

   Чем бы ни оказалась темная энергия, космическое расширение, которое она вызывает, служит для того, чтобы удерживать Вселенную вне термодинамического равновесия, а система, не находящаяся в равновесии, — это система, которая все еще имеет некоторую энергию и способность выполнять работу.

   В своем блоге “Нелепая Вселенная” Шон Кэрролл пишет: “Если существует состояние с максимальной энтропией (тепловое равновесие) и Вселенная вечна, трудно понять, почему мы не находимся в таком равновесном состоянии, и это было бы статичны, не развиваются постоянно. Вот почему я лично считаю, что такого состояния равновесия не существует, и что Вселенная развивается, потому что она может развиваться всегда».

   Если не существует неизбежного состояния равновесия, то, по-видимому, нет причин предполагать, что развивающийся разум обязательно должен прийти к концу. В своей книге 2006 года «Программирование Вселенной» Сет Ллойд из Массачусетского технологического института рассуждает следующим образом: «Убираясь все дальше и дальше, наши потомки будут собирать все больше и больше материи и извлекать ее энергию. Некоторая часть этой энергии неизбежно будет потрачена впустую или потеряна при передаче. Некоторые космологические модели допускают непрерывный сбор энергии до бесконечности, а другие — нет».

   В то время как некоторые космологи считают, что темная энергия и ускоряющееся расширение в конечном итоге разбавят материю и энергию во Вселенной до такой степени, что жизнь должна прийти к концу, новая популярная теория, известная как квинтэссенция, предполагает, что ускоряющееся расширение может начать замедляться , создавая еще большую неопределенность в отношении любых предсказаний будущего жизни. Возможно, динамика расширения Вселенной — это то, чем она должна быть, чтобы учесть непрерывный рост космической сложности? В статье Nature 2020 года о квинтэссенции Кэрролл цитирует слова: «Мы вернулись к ситуации, когда у нас нет никакого представления о том, как придет конец Вселенной».

   Если бы Айзек Азимов был жив сегодня, я думаю, он был бы рад узнать, что его «последний вопрос» все еще открыт. Увеличение энтропии во Вселенной не эквивалентно увеличению космической дезорганизации. Сложность и энтропия могут расти вместе и, возможно, даже безгранично. Мне нравится верить, что это означает, что вселенная на нашей стороне.

   Приятного чтения? Подпишитесь, чтобы получить лучшее от Noema.

   Термодинамика | Законы, определения и уравнения

   Ключевые люди:

   Макс Планк Джеймс Клерк Максвелл Гилберт Н. Льюис Дж. Уиллард Гиббс Илья Пригожин

   Похожие темы:

   нагревать законы термодинамики энергия Транспортное уравнение Больцмана система

   Просмотреть весь связанный контент →

   Популярные вопросы

   Что такое термодинамика?

   Термодинамика изучает отношения между теплотой, работой, температурой и энергией. Законы термодинамики описывают, как изменяется энергия в системе и может ли система выполнять полезную работу над окружающей средой.

   Является ли термодинамика физикой?

   Да, термодинамика — это раздел физики, изучающий изменение энергии в системе. Ключевое понимание термодинамики заключается в том, что тепло — это форма энергии, соответствующая механической работе (то есть действующая на объект сила на расстоянии).

   термодинамика , наука о взаимосвязи между теплотой, работой, температурой и энергией. В широком смысле термодинамика имеет дело с переносом энергии из одного места в другое и из одной формы в другую. Ключевое понятие состоит в том, что теплота — это форма энергии, соответствующая определенному количеству механической работы.

   Формально теплота не считалась формой энергии примерно до 1798 года, когда граф Румфорд (сэр Бенджамин Томпсон), британский военный инженер, заметил, что при сверлении стволов пушек может выделяться неограниченное количество тепла и что количество выделяемое тепло пропорционально работе, затраченной на точение тупого сверлильного инструмента. Наблюдение Румфордом пропорциональности между произведенным теплом и выполненной работой лежит в основе термодинамики. Другим пионером был французский военный инженер Сади Карно, который в 1824 г. ввел понятие теплового цикла и принцип обратимости. высокотемпературный теплообмен как его движущая сила. Позже в том же столетии эти идеи были развиты Рудольфом Клаузиусом, немецким математиком и физиком, в первый и второй законы термодинамики соответственно.

   Наиболее важные законы термодинамики:

   • Нулевой закон термодинамики. Когда две системы находятся в тепловом равновесии с третьей системой, первые две системы находятся в тепловом равновесии друг с другом. Это свойство делает целесообразным использование термометров в качестве «третьей системы» и для определения температурной шкалы.

   • Первый закон термодинамики или закон сохранения энергии. Изменение внутренней энергии системы равно разнице между теплом, переданным системе из окружающей среды, и работой, совершенной системой над окружающей средой.

   • Второй закон термодинамики. Теплота не перетекает самопроизвольно из более холодной области в более горячую, или, что то же самое, теплота при данной температуре не может быть полностью преобразована в работу. Следовательно, энтропия замкнутой системы, или тепловая энергия на единицу температуры, со временем увеличивается до некоторого максимального значения. Таким образом, все закрытые системы стремятся к равновесному состоянию, в котором энтропия максимальна и нет энергии для выполнения полезной работы.

   • Третий закон термодинамики. Энтропия идеального кристалла элемента в его наиболее стабильной форме стремится к нулю, когда температура приближается к абсолютному нулю. Это позволяет установить абсолютную шкалу энтропии, которая со статистической точки зрения определяет степень случайности или беспорядка в системе.

   Хотя термодинамика быстро развивалась в 19 веке в связи с необходимостью оптимизации характеристик паровых двигателей, широкая общность законов термодинамики делает их применимыми ко всем физическим и биологическим системам. В частности, законы термодинамики дают полное описание всех изменений энергетического состояния любой системы и ее способности совершать полезную работу над своим окружением.

   Эта статья посвящена классической термодинамике, которая не включает рассмотрение отдельных атомов или молекул. Такие проблемы находятся в центре внимания раздела термодинамики, известного как статистическая термодинамика или статистическая механика, которая выражает макроскопические термодинамические свойства с точки зрения поведения отдельных частиц и их взаимодействий. Она уходит своими корнями во вторую половину XIX века, когда стали общепринятыми атомарные и молекулярные теории материи.

   Фундаментальные концепции

   Термодинамические состояния

   Применение термодинамических принципов начинается с определения системы, которая в некотором смысле отличается от своего окружения. Например, системой может быть образец газа внутри цилиндра с подвижным поршнем, целая паровая машина, марафонец, планета Земля, нейтронная звезда, черная дыра или даже вся Вселенная. В общем, системы могут свободно обмениваться теплом, работой и другими формами энергии со своим окружением.

   Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.

   Подписаться

   Состояние системы в любой момент времени называется ее термодинамическим состоянием. Для газа в цилиндре с подвижным поршнем состояние системы определяется по температуре, давлению и объему газа. Эти свойства являются характеристическими параметрами, которые имеют определенные значения в каждом состоянии и не зависят от того, каким образом система пришла в это состояние. Другими словами, любое изменение значения свойства зависит только от начального и конечного состояний системы, а не от пути, пройденного системой из одного состояния в другое. Такие свойства называются функциями состояния. Напротив, работа, совершаемая при движении поршня и расширении газа, и тепло, поглощаемое газом из окружающей среды, зависят от подробного способа, которым происходит расширение.