Теплова́я смерть Вселе́нной, также Большо́е замерза́ние — гипотеза, выдвинутая немецким физиком Рудольфом Клаузиусом в 1865 году на основании экстраполяции второго начала термодинамики на всю Вселенную. По мысли Клаузиуса, Вселенная с течением времени должна в конце концов прийти в состояние термодинамического равновесия, или «тепловой смерти» // Физическая энциклопедия. В пяти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988. (термин, описывающий конечное состояние любой замкнутой термодинамической системы).

Если Вселенная является плоской или открытой, то она будет расширяться вечно (см. «Вселенная Фридмана») и ожидается, что в итоге такой эволюции она достигнет состояния «тепловой смерти»Plait, Philip Death From the Skies!, Viking Penguin, NY, ISBN 978-0-670-01997-7, p. 259. Если космологическая константа положительна, на что указывают последние наблюдения, Вселенная в конечном счёте приблизится к состоянию максимальной энтропии.

История гипотезы

В 1852 году Уильям Томсон (барон Кельвин) сформулировал «принцип рассеяния энергии», из которого следовало, что спустя конечный промежуток времени Земля очутится в состоянии, непригодном для обитания человека. Это была первая формулировка идей о «тепловой смерти», пока только Земли.

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, 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.

Критика

Один из аргументов против гипотезы «тепловой смерти Вселенной» основан на представлении о бесконечности Вселенной, так что законы термодинамики, базирующиеся на изучении объектов конечных размеров, ко Вселенной не применимы в принципе. М. Планк по этому поводу заметил: «Едва ли вообще есть смысл говорить об энергии или энтропии мира, ибо такие величины не поддаются точному определению».

Возражения против гипотезы «тепловой смерти Вселенной» со стороны статистической физики сводятся к тому, что абсолютно запрещаемые вторым началом процессы со статистической точки зрения просто маловероятны. Для обычных макросистем и статистические, и феноменологические законы ведут к одним и тем же выводам. Однако для систем с малым числом частиц или для бесконечно большой системы, или для бесконечно большого времени наблюдения самопроизвольные процессы, нарушающие второе начало термодинамики, становятся допустимыми. Кроме того в закрытых и изолированных системах (содержащих подсистемы), объединённых общим правилом неубывания энтропии, всё же возможны устойчивые неравновесные стационарные состояния. При этом такие состояния возможно индуцировать в системе уже находящейся в термодинамическом равновесии. Такая система будет иметь максимальную энтропию, а производство энтропии будет равно нулю, что не противоречит второму началу. В теории такие состояния могут длиться бесконечно.

В современной космологии учёт гравитации приводит к выводу о том, что однородное изотермическое распределение вещества во Вселенной не является наиболее вероятным и не соответствует максимуму энтропии.

Наблюдения подтверждают теорию А. А. Фридмана, согласно которой Метагалактика (астрономическая Вселенная) нестационарна: в настоящее время она расширяется, а вещество под действием силы тяготения конденсируется в отдельные объекты, образуя скопления галактик, галактики, звёзды, планеты. Все эти процессы естественны, идут с ростом энтропии и для своего объяснения не требуют модификации законов термодинамики; даже сама постановка вопроса о «тепловой смерти Вселенной» представляется неправомерной.

Сколь ни сомнительным может казаться с современной точки зрения вывод Клаузиуса о «тепловой смерти» Вселенной, именно этот вывод послужил толчком к развитию теоретической мысли, которая в работах А. Эйнштейна, А. А Фридмана и Г. А. Гамова привела к ныне широко принятой релятивистско-термодинамической модели эволюции.

Современное состояние Вселенной

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 %.

В культуре Теме тепловой смерти Вселенной посвящён ряд научно-фантастических рассказов (например, рассказ «Последний вопрос» Айзека Азимова). Также данная тема легла в основу сюжета аниме «Mahou Shoujo Madoka Magica».

Во вселенной британского телесериала «Доктор Кто» именно это конечное состояние произошло через 100 триллионов лет (показано в эпизоде «Утопия»)http://www.bbc.co.uk/programmes/b007qltt и http://www.bbc.co.uk/doctorwho/s4/episodes/S3_11 после Большого взрыва, через который образовалась вселенная.

В эпизоде The Late Philip J. Fry мультсериала «Футурама» герои воочию наблюдали тепловую смерть текущей и последующее рождение новой, полностью идентичной вселенной, а после и её тепловую смерть и рождение уже следующей. Эта новая вселенная оказалась сдвинута на 1 метр относительно прежней.

См. также Второе начало термодинамики Закон неубывания энтропии Большое сжатие Большой разрыв Энтропия Вселенной Расширение Вселенной Временная шкала далёкого будущего

Примечания Комментарии

Источники

Литература

Базаров И. П. Заблуждения и ошибки в термодинамике. — М.: УРСС, 2003. — 120 с. — ISBN 5-354-00391-1.

Ссылки

Категория:Космология Категория:Термодинамика Категория:Астрономические гипотезы Категория:Химические гипотезы Категория:Физические гипотезы