Энтропия и тепловая смерть вселенной

Демон Максвелла

Представим себе некоторое устройство, способное различать отдельные молекулы. Такое устройство называется «Демоном» Максвелла. Поместим это устройство в отверстие стенки, разделяющее на две равные части сосуд с газом. Пусть вначале давление и температура в обеих частях сосуда. Теперь пусть устройство пропускает быстрые молекулы в одну сторону, а медленные в другую. Это означает, что температура газа в одной половинке сосуда станет больше, чем в другой, что находится в противоречии со вторым началом термодинамики. На самом деле никакого противоречия здесь нет. Это устройство должно быть микроскопическим, поскольку должно приводиться в действие ударами молекул, и оно должно участвовать в беспорядочных тепловых движениях молекул. Поэтому отверстие должно открываться совершенно хаотично, поэтому по нему в обе стороны будут проходить как быстрые, так и медленные молекулы.

В работе «О различных удобных формах основных уравнений механической теории тела» Клаузиус дал краткие формулировки I и II законов ТД.

I закон ТД: Энергия Вселенной постоянна

II закон ТД: Энтропия Вселенной стремится к максимуму.

Неизбежное возрастание энтропии изолированной системы при самопроизвольных необратимых процессах в ней было необоснованно возведено Клаузиусом в универсальный физический закон, не знающий ограничений, и поставлено в ряд с законом сохранения энергии. Оба эти закона, по Клаузиусу, в равной мере определяют состояние Вселенной: «Энергия Вселенной остается постоянной, энтропия Вселенной стремится к максимуму». Это значит, что всегда и везде во Вселенной имеют место превращения всех видов энергии в теплоту и постепенное выравнивание температур.

Таким образом, согласно Клаузиусу, все процессы, протекающие во Вселенной, должны со временем привести Вселенную к такому состоянию, при котором все жизненные системы замрут. Такое состояние принято называть смертью Вселенной. Утверждение Клаузиуса дало почву для появления теории «тепловой смерти» Вселенной. Концепция «тепловой смерти» неминуемо приводит к признанию начала в существовании Вселенной (т.е. Вселенная живет недолго и еще не пришла в состояние тепловой смерти), или кто-то со стороны вмешивается в эволюцию вселенной не давая ей развиваться в состояние тепловой смерти. «Эта неизбежная судьба, предвидимая для вселенной, красноречиво свидетельствует о существовании Высшего Существа» заявил папа Пий XII на заседании Ватиканской Академии наук в ноябре 1951 г.

Больцман в ответ на теорию «тепловой» смерти высказал мысль, что эта теория противоречит статистическому толкованию энтропии. Поэтому, если и обычная термодинамика, и статистика в равной мере применимы к бесконечной системе, которой является Вселенная, то и тогда на их основе невозможно прийти к выводу о «тепловой смерти». Действительно, в такой системе имели бы место флуктуации, т.е. случайные отклонения системы от равновесного состояния, размеры которых в масштабе Вселенной могли бы быть значительными, по крайней мере, в сравнении с размерами нашего мира. Т. е. согласно Больцману, Вселенная находится в состоянии термодинамического равновесия, но в ней возможны флуктуации, в одной из которых мы и живем.

Против флуктуационной гипотезы Больцмана был выдвинут ряд возражений. Основным возражением было то, что вероятность больших флуктуаций очень и очень мала.

Ни концепция тепловой смерти, ни флуктуационная гипотеза не учитывают специфики Вселенной, как гравитирующую системы. В то время как для идеального газа наиболее вероятным является равномерное распределение частей в пространстве в системе гравитирующих частиц, однородное распределение не соответствует максимальной энтропии. В силу этого, образование звезд и галактик является естественным процессом, идущим с возрастанием энтропии. В настоящее время вопрос о тепловой смерти системы стоит иначе, чем во времена Клаузиуса и Больцмана. В соответствии с современными данными, наша метагалактика является расширяющейся системой, следовательно, является нестационарной. Поэтому, вопрос о тепловой смерти системы нельзя даже и ставить. Необратимое возрастание энтропии в замкнутых системах обусловливает отличие будущих событий от предыдущих.

Это привело некоторых ученных к мысли использования II начала термодинамики для определения роста времени. В работах 1960-63 гг. американский ученый Хойл предлагал определять в положительном направлении течения времени по расширению Вселенной. Если до этого Вселенная сжималась, то по Хойлу, время текло в обратную сторону. Здесь нарушаются логические законы для причинного порядка, не явно используются понятия внешнего порядка. Связь между ними необходимо вывести.

Дата добавления: 2014-01-04