Парадокс тепловой смерти
Парадокс тепловой смерти , также известный как термодинамический парадокс , парадокс Клаузиуса и парадокс Кельвина . [1] — это довод до абсурда , который использует термодинамику, чтобы показать невозможность существования бесконечно старой Вселенной. Она была сформулирована в феврале 1862 года лордом Кельвином и развита Германом фон Гельмгольцем и Уильямом Джоном Маккуорном Рэнкином . [2] [3]
Парадокс [ править ]
Если предположить, что Вселенная вечна, возникает вопрос: как получилось, что термодинамическое равновесие еще не достигнуто? [4]
Этот теоретический парадокс направлен против господствовавшей в то время веры в классическую точку зрения на вечную вселенную, согласно которой ее материя постулируется как вечная и всегда узнаваемая вселенная. Парадокс тепловой смерти рождается из парадигмы, вытекающей из фундаментальных представлений о космосе. Чтобы разрешить парадокс, необходимо изменить парадигму.
Парадокс был основан на жесткой механической точке зрения второго закона термодинамики, постулированного Рудольфом Клаузиусом и лордом Кельвином , согласно которому тепло может передаваться только от более теплого объекта к более холодному. Там отмечается: если бы Вселенная была вечной, как утверждали классики, она уже должна была быть холодной и изотропной (ее объекты должны иметь одинаковую температуру, а распределение материи или излучения должно быть равномерным). [4] Кельвин сравнил Вселенную с часами, которые идут все медленнее и медленнее, постоянно рассеивая энергию в виде неосязаемого тепла , хотя он не был уверен, остановятся ли они навсегда (достигнут ли термодинамическое равновесие). Согласно этой модели, существование полезной энергии, которую можно использовать для выполнения работы и производства энтропии, означает, что часы не остановились — поскольку преобразование тепла в механическую энергию (которое Кельвин назвал сценарием омолаживания Вселенной ) не рассматривается. . [5] [2]
Согласно законам термодинамики, любой горячий объект передает тепло более холодному окружению, пока все не станет одинаковой температуры . Для двух объектов с одинаковой температурой от одного тела исходит столько же тепла , сколько и от другого, и итоговый эффект не меняется. Если бы Вселенная была бесконечно старой, у звезд должно было быть достаточно времени, чтобы остыть и нагреть свое окружение. Следовательно, везде должна быть одинаковая температура и либо не должно быть звезд, либо все должно быть горячо, как звезды. Таким образом, Вселенная должна достичь или асимптотически стремиться к термодинамическому равновесию, которое соответствует состоянию, в котором не осталось термодинамической свободной энергии , и, следовательно, дальнейшая работа невозможна: это тепловая смерть Вселенной, как предсказывал лорд Кельвин в своей работе. 1852. Средняя температура космоса также должна асимптотически стремиться к нулю по Кельвину , и возможно, что максимальной энтропии . будет достигнуто состояние [6]
Решение Кельвина [ править ]
В феврале 1862 года лорд Кельвин использовал существование Солнца и звезд как эмпирическое доказательство того, что Вселенная не достигла термодинамического равновесия , поскольку производство энтропии и свободная работа все еще возможны, а между объектами существуют различия в температуре. Вскоре после этого Гельмгольц и Рэнкин расширили работу Кельвина. [2] Поскольку существуют звезды и более холодные объекты, Вселенная не находится в термодинамическом равновесии, поэтому она не может быть бесконечно старой.
Современная космология [ править ]
Парадокс возникает не в Большом взрыве или в его успешном уточнении Lambda-CDM , которые утверждают, что Вселенная возникла примерно 13,8 миллиардов лет назад, то есть недостаточно давно, чтобы Вселенная приблизилась к термодинамическому равновесию. Некоторые предложенные дальнейшие усовершенствования, называемые вечной инфляцией , восстанавливают идею Кельвина о бесконечном времени в более сложной форме вечной, экспоненциально расширяющейся мультивселенной, в которой постоянно рождаются взаимно недоступные детские вселенные, некоторые из которых напоминают вселенную, в которой мы живем.
Связанные парадоксы [ править ]
Парадокс Ольберса — это еще один парадокс, целью которого является опровергнуть бесконечно старую статическую вселенную, но он соответствует только сценарию статической вселенной . Кроме того, в отличие от парадокса Кельвина, он опирается на космологию , а не на термодинамику. Мозг Больцмана также можно отнести к мозгу Кельвина, поскольку он фокусируется на спонтанной генерации мозга (наполненного ложными воспоминаниями) в результате флуктуаций энтропии во Вселенной, которая находилась в состоянии тепловой смерти в течение неопределенного периода времени. [7]
См. также [ править ]
- Энтропия (стрела времени)
- Графическая временная шкала от Большого взрыва до Тепловой смерти
- Тепловая смерть Вселенной
- Список парадоксов
- Термодинамическая температура
Ссылки [ править ]
- ^ Кучич, Драголюб; Ангелопулос (2010). «Парадоксы термодинамики». Материалы конференции AIP . 1203 (1): 1267–1270. arXiv : 0912.1756 . Бибкод : 2010AIPC.1203.1267C . дои : 10.1063/1.3322352 .
- ^ Перейти обратно: а б с Томсон, Уильям (1862). «Об эпохе солнечного тепла» . Журнал Макмиллана . Том. 5. С. 388–393.
- ^ Смит, Кросби; Уайз, М. Нортон (1989). Энергия и империя: биографическое исследование лорда Кельвина . Издательство Кембриджского университета. п. 500. ИСБН 978-0-521-26173-9 .
- ^ Перейти обратно: а б Кучич, Драголюб А. (2008). «Астрофизические парадоксы, полная версия». arXiv : 0812.1679 [ physical.hist-ph ].
- ^ Отис, Лаура (2002). «Литература и наука в девятнадцатом веке: антология» . ОУП Оксфорд . Том. 1. С. 60–67.
- ^ Законы термодинамики Томпсона и Клаузиуса, Oxford University Press , 2015 г.
- ^ Кэрролл, Шон (29 декабря 2008 г.). «Ричард Фейнман о мозгах Больцмана» . Проверено 24 июня 2019 г.