Второе начало термодинамики и «тепловая смерть Вселенной»

Рис. 133.

Вселенная, весь мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по тем формам, которые принимает материя в процессе своего развития (рис. 133).

На современном этапе существования (13,72млрд лет) Вселенная излучает как абсолютно чёрное тело с температурой . Максимум спектра излучения приходится на частоту (микроволновое излучение), что соответствует длине волны . Оно изотропно с точностью до .

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.

Вывод о «тепловой смерти» Вселенной был сформулирован Р. Клаузиусомв 1865 г. на основе второго начала термодинамики. Согласно второму началу термодинамики, любая физическая система, не обменивающаяся энергией с другими системами (для Вселенной в целом такой обмен, возможно, исключен), стремится к наиболее вероятному равновесному состоянию с максимумом энтропии. Такое состояние соответствовало бы «тепловой смерти» Вселенной. Второе начало термодинамики иногда используется критиками эволюции с целью показать, что развитие природы в сторону усложнения невозможно. Подобная интерпретация физического закона неверна: ведь энтропия не убывает только в замкнутых системах.

Ещё до создания современной космологии были сделаны многочисленные попытки опровергнуть вывод о тепловой смерти Вселенной. Наиболее известна из них флуктуационная гипотеза Л. Больцмана (1872 г.), 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.

Современная физика находит выход из этой ситуации: по мнению Л.Ландау[48]общая теория относительности рассматривает Вселенную как систему, находящуюся в переменном гравитационном поле, и в таких условиях закон возрастания энтропии неприменим. А. Фридман[49] доказал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может быть стационарной, а должна расширяться или сжиматься. В этом случае из возрастания энтропии не следует стремления системы к термодинамического равновесию и парадокс «тепловой смерти» Вселенной не возникает.

Критика теории «тепловой смерти» Вселенной основывается в основном на утверждении, что, несмотря на логичность аргументов, тепловая смерть все еще не наступила (т. н. в космологии «термодинамический парадокс»).

В любом случае знания о Вселенной еще ничтожно малы, поэтому любые прогнозы относительно будущего Вселенной остаются лишь догадками. Например, в соответствии с современными физическими представлениями мы можем говорить лишь о наблюдаемой части Вселенной. На данном этапе человечество не имеет возможности доказать ни то, что Вселенная есть замкнутая система, ни обратное.

Флуктуации и второй закон термодинамики

В системах, состоящих из сравнительно небольшого числа частиц, наблюдаются значительные флуктуации, представляющие собой отклонения от второго начала термодинамики.

Флуктуацией физической величины ,характеризующей систему, называется отклонение истинного значения величины от её среднего значения ,обусловленное хаотическим тепловым движением частиц системы.

В флуктуационных колебаниях наблюдаются процессы, в которых система переходит от более вероятного состояния к менее вероятному состоянию, т.е. энтропия уменьшается. Примером служит броуновское движение. В этих опытах мы наблюдаем флуктуации давления в небольшом объёме, приходящемся на частицу.

В случае большого числа частиц флуктуации незначительны. Так, температура воды, находящейся при комнатной температуре в равновесии будет испытывать колебания градуса.