Тепловая смерть Вселенной
 | В данной статье поднимается несколько вопросов. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалять эти шаблонные сообщения )
|
| Часть серии о |
| Физическая космология |
|---|
 |
Тепловая смерть Вселенной (также известная как Большое Похолодание или Большое Замораживание ) [1] [2] Это гипотеза о конечной судьбе Вселенной , которая предполагает, что Вселенная эволюционирует до состояния отсутствия термодинамической свободной энергии и, следовательно, не сможет поддерживать процессы, увеличивающие энтропию . Тепловая смерть не подразумевает какой-либо конкретной абсолютной температуры ; требуется только, чтобы разница температур или другие процессы больше не использовались для выполнения работы . На языке физики это момент, когда Вселенная достигает термодинамического равновесия .
Если кривизна Вселенной гиперболическая или плоская , или если темная энергия является положительной космологической константой , Вселенная будет продолжать расширяться вечно, и ожидается, что произойдет тепловая смерть. [3] Вселенная охлаждается, чтобы приблизиться к равновесию при очень низкой температуре после длительного периода времени.
Гипотеза тепловой смерти вытекает из идей лорда Кельвина , который в 1850-х годах взял теорию тепла как потери механической энергии в природе (как это воплощено в первых двух законах термодинамики ) и экстраполировал ее на более крупные процессы вселенского масштаба. . Это также позволило Кельвину сформулировать парадокс тепловой смерти , опровергающий существование бесконечно старой Вселенной. [4]
Истоки идеи [ править ]
Идея тепловой смерти вытекает из второго закона термодинамики , одна из версий которого гласит, что энтропия имеет тенденцию возрастать в изолированной системе . Из этой гипотезы следует, что если Вселенная существует достаточное время, она асимптотически приблизится к состоянию, в котором вся энергия распределена равномерно. Другими словами, согласно этой гипотезе, в природе существует тенденция к диссипации (преобразованию энергии) механической энергии (движения) в тепловую энергию ; следовательно, путем экстраполяции существует точка зрения, что со временем механическое движение Вселенной замедлится, поскольку работа преобразуется в тепло из-за второго закона.
Гипотеза о том, что все тела во Вселенной остывают и в конечном итоге становятся слишком холодными для поддержания жизни, по-видимому, впервые была выдвинута французским астрономом Жаном Сильвеном Байи в 1777 году в его трудах по истории астрономии и в последующей переписке с Вольтером. . По мнению Байи, все планеты обладают внутренним теплом и сейчас находятся на определенной стадии охлаждения. Юпитер , например, все еще слишком горяч, чтобы на нем могла возникнуть жизнь в течение тысяч лет, тогда как Луна уже слишком холодна. С этой точки зрения конечное состояние описывается как состояние «равновесия», при котором все движение прекращается. [5]
Однако идея тепловой смерти как следствия законов термодинамики была впервые предложена в общих чертах, начиная с 1851 года, лордом Кельвином (Уильям Томсон), который далее теоретизировал на основе взглядов на потерю механической энергии Сади Карно (1824), Джеймса Джоуль (1843 г.) и Рудольф Клаузиус (1850 г.). Взгляды Томсона были затем развиты в течение следующего десятилетия Германом фон Гельмгольцем и Уильямом Рэнкином . [6]
История [ править ]
Идея тепловой смерти Вселенной возникла из обсуждения применения первых двух законов термодинамики к универсальным процессам. В частности, в 1851 году лорд Кельвин изложил точку зрения, основанную на недавних экспериментах по динамической теории тепла : «Тепло — это не субстанция, а динамическая форма механического воздействия; мы понимаем, что должна быть эквивалентность между механической работой и тепло как между причиной и следствием». [7]
В 1852 году Томсон опубликовал « Об универсальной тенденции в природе к рассеянию механической энергии» , в которой он изложил основы второго закона термодинамики, суммированные с точки зрения, что механическое движение и энергия, используемая для создания этого движения, естественным образом будут иметь тенденцию рассеиваться. или сбежать. [8] Идеи этой статьи в отношении их применения к возрасту Солнца и динамике вселенского процесса привлекли таких ученых, как Уильям Ранкин и Герман фон Гельмгольц. Сообщается, что все трое обменялись идеями по этому поводу. [6] В 1862 году Томсон опубликовал статью «О возрасте солнечного тепла», в которой он подтвердил свои фундаментальные убеждения о неразрушимости энергии (первый закон ) и универсальном рассеянии энергии (второй закон), приводящем к диффузии энергии. тепла, прекращение полезного движения ( работы ) и истощение потенциальной энергии , «безвозвратно потерянной» через материальную вселенную, проясняя при этом его взгляд на последствия для вселенной в целом. Томсон писал:
Результатом неизбежно стало бы состояние всеобщего покоя и смерти, если бы Вселенная была конечной и подчинялась существующим законам. Но невозможно представить себе предел размера материи во Вселенной; и поэтому наука указывает скорее на бесконечный прогресс в бесконечном пространстве действия, включающего преобразование потенциальной энергии в ощутимое движение и, следовательно, в тепло , чем на один конечный механизм, идущий, как часы, и останавливающийся навсегда. [4]
Пример часов показывает, что Кельвин не был уверен, достигнет ли Вселенная в конечном итоге термодинамического равновесия . Позже Томпсон предположил, что восстановление рассеянной энергии в « vis viva », а затем и пригодной для использования работы – и, следовательно, изменение направления часов, что приводит к «омолаживающей вселенной» – потребует «творческого акта или действия, обладающего аналогичной силой». [9] [10] Начиная с этой публикации, Кельвин также ввел парадокс тепловой смерти (парадокс Кельвина), который опровергает классическую концепцию бесконечно старой Вселенной, поскольку Вселенная не достигла своего термодинамического равновесия, поэтому дальнейшая работа и производство энтропии все еще возможны. Существование звезд и разницы температур можно считать эмпирическим доказательством того, что Вселенная не бесконечно стара. [11] [4]
В годы, последовавшие за статьями Томсона 1852 и 1862 годов, Гельмгольц и Рэнкин оба приписывали Томсону эту идею, а также его парадокс, но продолжали читать его статьи, публикуя взгляды, в которых утверждалось, что Томсон утверждал, что Вселенная закончится в «жаре». смерть» (Гельмгольц), которая станет «концом всех физических явлений» (Ранкин). [6] [12] [ ненадежный источник? ]
Текущий статус [ править ]
Предложения об окончательном состоянии Вселенной зависят от предположений о ее окончательной судьбе, и эти предположения значительно менялись в конце 20-го и начале 21-го века. В гипотетической «открытой» или «плоской» Вселенной либо тепловая смерть, либо Большой разрыв . , которая продолжает расширяться бесконечно, ожидается, что в конечном итоге произойдет [3] [13] Если космологическая постоянная равна нулю, Вселенная приблизится к абсолютному нулю температуры в течение очень длительного периода времени. Однако, если космологическая постоянная положительна , температура будет асимптотически принимать ненулевое положительное значение, и Вселенная приблизится к состоянию максимальной энтропии , в котором дальнейшая работа невозможна. [14]
Сроки смерти тепловой
Теория предполагает, что с момента « Большого взрыва » и до наших дней материя и темная материя во Вселенной, как полагают, концентрировались в звездах , галактиках и скоплениях галактик , и, как предполагается, будет продолжать делать это и в будущем. Следовательно, Вселенная не находится в термодинамическом равновесии , и объекты могут совершать физическую работу. [15] :§VID Время распада сверхмассивной черной дыры массой примерно 1 галактики (10 11 массы Солнца ) из-за излучения Хокинга составляет порядка 10 100 годы, [16] поэтому энтропия может производиться по крайней мере до этого времени. По прогнозам, некоторые большие черные дыры во Вселенной будут продолжать расти, возможно, до 10 14 M ☉ при коллапсе сверхскоплений галактик. Даже они испарились бы в течение периода времени до 10 106 годы. [17] После этого времени Вселенная вступит в так называемую Темную Эру и, как ожидается, будет состоять в основном из разбавленного газа фотонов и лептонов . [15] :§VIA Поскольку останется только очень диффузная материя, активность во Вселенной резко замедлится, с чрезвычайно низкими уровнями энергии и чрезвычайно длительными временными рамками. Теоретически возможно, что Вселенная может вступить во вторую инфляционную эпоху или, если предположить, что текущее состояние вакуума является ложным вакуумом , вакуум может распасться в состояние с более низкой энергией . [15] :§VE Также возможно, что производство энтропии прекратится и Вселенная достигнет тепловой смерти. [15] :§VID
Предполагается, что в течение огромных периодов времени спонтанное энтропии уменьшение в конечном итоге произойдет в соответствии с теоремой о возврате Пуанкаре : [18] тепловые колебания , [19] [20] [21] и теорема о флуктуациях . [22] [23] Благодаря этому другая вселенная могла бы быть создана случайными квантовыми флуктуациями или квантовым туннелированием примерно за считанные секунды. годы. [24]
Противоположные взгляды [ править ]
Макс Планк писал, что фраза «энтропия Вселенной» не имеет смысла, поскольку не допускает точного определения. [25] [26] В 2008 году Уолтер Гранди писал: «довольно самонадеянно говорить об энтропии Вселенной, о которой мы до сих пор так мало понимаем, и мы задаемся вопросом, как можно определить термодинамическую энтропию для Вселенной и ее основных составляющих, которые никогда не находились в равновесии». за все время их существования». [27] По словам Ласло Тисы , «если изолированная система не находится в равновесии, мы не можем связать с ней энтропию». [28] Ганс Адольф Бухдал пишет о «совершенно неоправданном предположении, что Вселенную можно рассматривать как замкнутую термодинамическую систему». [29] По словам Джованни Галлавотти , «не существует общепринятого понятия энтропии для систем, находящихся вне равновесия, даже когда они находятся в стационарном состоянии». [30] Обсуждая вопрос об энтропии неравновесных состояний вообще, Эллиот Х. Либ и Якоб Ингвасон выражают свое мнение следующим образом: «Несмотря на то, что большинство физиков верят в такую неравновесную энтропию, до сих пор оказалось невозможным определить ее в явно удовлетворительный путь». [31] По мнению Питера Ландсберга: « Третье заблуждение состоит в том, что термодинамика и, в частности, концепция энтропии могут быть без дальнейших исследований применены ко всей Вселенной... Эти вопросы имеют определенную привлекательность, но ответы - это предположения». [32]
Анализ энтропии 2010 года гласит: «Энтропия общего гравитационного поля до сих пор неизвестна» и «гравитационную энтропию трудно измерить количественно». Анализ рассматривает несколько возможных предположений, которые потребуются для оценок, и предполагает, что наблюдаемая Вселенная имеет больше энтропии, чем считалось ранее. Это связано с тем, что анализ приходит к выводу, что наибольший вклад вносят сверхмассивные черные дыры. [33] Ли Смолин идет дальше: «Давно известно, что гравитация важна для того, чтобы удерживать Вселенную от теплового равновесия. Гравитационно-связанные системы имеют отрицательную удельную теплоемкость, то есть скорости их компонентов увеличиваются при удалении энергии... система не развивается к однородному равновесному состоянию, вместо этого она становится все более структурированной и гетерогенной по мере того, как фрагментируется на подсистемы». [34] Эту точку зрения подтверждает и тот факт, что недавно [ когда? ] экспериментальное обнаружение устойчивого неравновесного стационарного состояния в относительно простой замкнутой системе. Следует ожидать, что изолированная система, фрагментированная на подсистемы, не обязательно придет к термодинамическому равновесию и останется в неравновесном стационарном состоянии. Энтропия будет передаваться от одной подсистемы к другой, но ее производство будет равно нулю, что не противоречит второму началу термодинамики . [35] [36]
В популярной культуре [ править ]
 | Этот раздел включает список литературы , связанную с ним литературу или внешние ссылки , но его источники остаются неясными, поскольку в нем отсутствуют встроенные цитаты . ( Ноябрь 2023 г. ) |
В рассказе Айзека Азимова « Последний вопрос» 1956 года люди неоднократно задаются вопросом, как можно избежать тепловой смерти Вселенной.
В рассказе Доктора Кто 1981 года « Логополис » Доктор понимает, что логополиты создали отверстия во вселенной, чтобы выбрасывать накопленное тепло в другие вселенные - «Заряженные вакуумные установки» или «CVE» - чтобы отсрочить гибель вселенной. Доктор невольно прошёл через такое отверстие в « Замкнутом круге ».
В компьютерной игре 1995 года «У меня нет рта, и я должен кричать» , основанной на Харлана Эллисона одноименном рассказе , утверждается, что АМ, злобный суперкомпьютер, переживет тепловую смерть Вселенной и продолжит мучить ее бессмертное существо. жертвы вечности.
В аниме-сериале 2011 года Puella Magi Madoka Magica антагонист Кьюбей показывает, что он является членом инопланетной расы, которая на протяжении тысячелетий создавала девочек-волшебниц , чтобы собрать их энергию для борьбы с энтропией и предотвратить тепловую смерть вселенной.
В последнем акте Final Fantasy XIV: Endwalker игрок сталкивается с инопланетной расой, известной как Эа, которые потеряли всякую надежду на будущее и всякое желание жить дальше, и все потому, что они узнали о возможной тепловой смерти вселенной и воспринимать все остальное как бессмысленное из-за его вероятной неизбежности.
Общий сюжет последовательности Ксили касается усилий Птиц Фотино ускорить тепловую смерть Вселенной за счет ускорения скорости, с которой звезды становятся белыми карликами.
В популярной инди-видеоигре 2019 года Outer Wilds есть несколько тем, связанных с идеей тепловой смерти Вселенной и теорией о том, что Вселенная представляет собой цикл больших взрывов, когда предыдущий пережил тепловую смерть.
См. также [ править ]
- Стрела времени - физика концепции одностороннего времени.
- Большой взрыв – Физическая теория
- Big Bounce – Модель происхождения Вселенной
- Большое сжатие – теоретический сценарий окончательной судьбы Вселенной.
- Большой разрыв - Космологическая модель
- Хронология Вселенной – История и будущее Вселенной
- Циклическая модель - космологические модели, включающие неопределенные самоподдерживающиеся циклы.
- Энтропия (стрела времени) – использование второго закона термодинамики, чтобы отличить прошлое от будущего.
- Теорема о флуктуациях
- Графическая временная шкала от Большого взрыва до тепловой смерти - визуальное представление прошлого, настоящего и будущего Вселенной.
- Парадокс тепловой смерти - Парадокс, связанный с судьбой Вселенной.
- Последний вопрос — научно-фантастический рассказ Айзека Азимова.
- Хронология далекого будущего - Научные прогнозы относительно далекого будущего.
- Порядки величины (времени) – сравнение широкого диапазона временных масштабов.
- Термодинамическая температура - мера абсолютной температуры.
Ссылки [ править ]
- ^ WMAP – Судьба Вселенной , Вселенная WMAP , НАСА . Доступ онлайн 17 июля 2008 г.
- ^ Дайер, Алан (24 июля 2007 г.). Инсайдеры: Космос . Книги Саймона и Шустера для юных читателей. стр. 40–41. ISBN 978-1-4169-3860-6 .
- ^ Перейти обратно: а б Плейт, Филип (2008). Смерть с небес! . Викинг для взрослых (опубликовано 16 октября 2008 г.). п. 259. ИСБН 978-0-670-01997-7 .
- ^ Перейти обратно: а б с Томсон, сэр Уильям (5 марта 1862 г.). «Об эпохе солнечного тепла» . Журнал Макмиллана . Том. 5. С. 388–93.
- ^ Браш, Стивен Г. (1996). История современной планетарной физики: Туманная Земля . Том. 1. Издательство Кембриджского университета. п. 77 . ISBN 978-0-521-44171-1 .
- ^ Перейти обратно: а б с Смит, Кросби; Уайз, М. Нортон (1989). Энергия и империя: биографическое исследование лорда Кельвина . Издательство Кембриджского университета. п. 500. ИСБН 978-0-521-26173-9 .
- ^ Томсон, сэр Уильям. (1851). «О динамической теории тепла с численными результатами, полученными на основе эквивалента тепловой единицы г-на Джоуля, и наблюдений М. Реньо над паром» . Отрывки. [§§1–14 и §§99–100], Труды Королевского общества Эдинбурга , март 1851 г., и Философский журнал IV , 1852 г. Эта версия из Mathematical and Physical Papers , vol. я, арт. XLVIII, стр. 174.
- ^ Томсон, сэр Уильям (1852). «Об универсальной тенденции в природе к рассеянию механической энергии», Труды Эдинбургского королевского общества от 19 апреля 1852 г., также «Философский журнал» , октябрь 1852 г. Эта версия из Mathematical and Physical Papers , vol. я, арт. 59, стр. 511.
- ^ Гарольд И. Шарлин (13 декабря 2019 г.). «Уильям Томсон, барон Кельвин» . Британская энциклопедия . Проверено 24 января 2020 г.
- ^ 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.
- ^ «Физическая хронология» . Архивировано из оригинала 22 мая 2011 года.
- ^ Консольманьо, Гай (08 мая 2008 г.). «Рай или тепловая смерть?» . Думающая Вера . Архивировано из оригинала 16 ноября 2023 г. Проверено 6 октября 2008 г.
- ^ Дайсон, Лиза ; Клебан, Мэтью ; Сасскинд, Леонард (12 ноября 2002 г.). «Тревожные последствия космологической константы». Журнал физики высоких энергий . 2002 (10): 011. arXiv : hep-th/0208013 . Бибкод : 2002JHEP...10..011D . дои : 10.1088/1126-6708/2002/10/011 . S2CID 2344440 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Адамс, Фред С .; Лафлин, Грегори (1997). «Умирающая вселенная: долгосрочная судьба и эволюция астрофизических объектов». Обзоры современной физики . 69 (2): 337–72. arXiv : astro-ph/9701131 . Бибкод : 1997РвМП...69..337А . дои : 10.1103/RevModPhys.69.337 . S2CID 12173790 .
- ^ См., в частности, уравнение (27) в Пейдж, Дон Н. (15 января 1976 г.). «Скорость выбросов частиц из черной дыры: безмассовые частицы из незаряженной невращающейся дыры». Физический обзор D . 13 (2): 198–206. Бибкод : 1976PhRvD..13..198P . дои : 10.1103/PhysRevD.13.198 .
- ^
Фраучи, Стивен (13 августа 1982 г.). «Энтропия в расширяющейся Вселенной» (PDF) . Наука . 217 (4560): 593–9. Бибкод : 1982Sci...217..593F . дои : 10.1126/science.217.4560.593 . JSTOR 1688892 . ПМИД 17817517 . S2CID 27717447 .
Поскольку мы предположили максимальный масштаб гравитационной связи — например, сверхскопления галактик, — в нашей модели со временем заканчивается образование черных дыр с массами до 10 14 M ☉ ... время, в течение которого черные дыры излучают все свои энергетические диапазоны ... до 10 106 лет для черных дыр до 10 14 M ☉
- ^ Пуанкаре, Анри (1890). «О задаче трех тел и уравнениях динамики». Акта Математика . 13 : А3–А270.
- ^ Тегмарк, Макс (2003). «Параллельные вселенные». Научный американец . 288 (2003): 40–51. arXiv : astro-ph/0302131 . Бибкод : 2003SciAm.288e..40T . doi : 10.1038/scientificamerican0503-40 . ПМИД 12701329 .
- ^ Тегмарк, Макс (май 2003 г.). «Параллельные вселенные». Научный американец . 288 (5): 40–51. arXiv : astro-ph/0302131 . Бибкод : 2003SciAm.288e..40T . doi : 10.1038/scientificamerican0503-40 . ПМИД 12701329 .
- ^ Верланг, Т.; Рибейро, ГАП; Риголин, Густаво (2013). «Взаимодействие между квантовыми фазовыми переходами и поведением квантовых корреляций при конечных температурах». Международный журнал современной физики Б. 27 (1n03): 1345032. arXiv : 1205.1046 . Бибкод : 2013IJMPB..2745032W . дои : 10.1142/S021797921345032X . S2CID 119264198 .
- ^ Сю-Сань Син (1 ноября 2007 г.). «Спонтанное уменьшение энтропии и его статистическая формула». arXiv : 0710.4624 [ cond-mat.stat-mech ].
- ^ Линде, Андрей (2007). «Токи в ландшафте, мозги Больцмана и проблема космологической постоянной». Журнал космологии и физики астрочастиц . 2007 (1): 022. arXiv : hep-th/0611043 . Бибкод : 2007JCAP...01..022L . CiteSeerX 10.1.1.266.8334 . дои : 10.1088/1475-7516/2007/01/022 . S2CID 16984680 .
- ^ Кэрролл, Шон М.; Чен, Дженнифер (октябрь 2004 г.). «Спонтанная инфляция и происхождение Стрелы времени». arXiv : hep-th/0410270 . Бибкод : 2004hep.th...10270C
- ^
Уффинк, Джос (2003). «Необратимость и второй закон термодинамики». В Гревене, Андреас; Варнеке, Джеральд; Келлер, Герхард (ред.). Энтропия (Принстонская серия по прикладной математике) . Издательство Принстонского университета. п. 129. ИСБН 978-0-691-11338-8 .
Важность Планка «Vorlesungen über Thermodynamik» (Planck 1897) вряд ли можно переоценить. Книга выдержала 11 изданий с 1897 по 1964 год и до сих пор остается наиболее авторитетным изложением классической термодинамики.
- ^ Планк, Макс (1903). Трактат по термодинамике . Перевод Огг, Александр. Лондон: Лонгманс, Грин. п. 101.
- ^ Гранди, Уолтер Т. младший (2008). Энтропия и временная эволюция макроскопических систем . Издательство Оксфордского университета. п. 151. ИСБН 978-0-19-954617-6 .
- ^ Тиса, Ласло (1966). Обобщенная термодинамика . МТИ Пресс. п. 41. ИСБН 978-0-262-20010-3 .
- ^ Бухдал, ХА (1966). Концепции классической термодинамики . Издательство Кембриджского университета. п. 97. ИСБН 978-0-521-11519-3 .
- ^ Галлавотти, Джованни (1999). Статистическая механика: Краткий трактат . Спрингер. п. 290. ИСБН 978-3-540-64883-3 .
- ^ Либ, Эллиот Х .; Ингвасон, Якоб (2003). «Энтропия классической термодинамики». В Гревене, Андреас; Варнеке, Джеральд; Келлер, Герхард (ред.). Энтропия . Принстонская серия по прикладной математике. Издательство Принстонского университета. п. 190. ИСБН 978-0-691-11338-8 .
- ^ Ландсберг, Питер Теодор (1961). Термодинамика с квантовыми статистическими иллюстрациями (Первое изд.). Издательство Интерсайенс. п. 391. ИСБН 978-0-470-51381-1 .
- ^ Иган, Час А.; Лайнуивер, Чарльз Х. (2010). «Большая оценка энтропии Вселенной». Астрофизический журнал . 710 (2) (опубликовано 3 февраля 2010 г.): 1825–34 [1826]. arXiv : 0909.3983 . Бибкод : 2010ApJ...710.1825E . дои : 10.1088/0004-637X/710/2/1825 . S2CID 1274173 .
- ^ Смолин, Ли (2014). «Время, законы и будущее космологии». Физика сегодня . 67 (3): 38–43 [42]. Бибкод : 2014PhT....67c..38S . дои : 10.1063/pt.3.2310 .
- ^ Лемишко Сергей С.; Лемишко, Александр С. (2017). «Окислительно-восстановительная батарея Cu2+/Cu+, использующая низкопотенциальное внешнее тепло для подзарядки». Журнал физической химии C. 121 (6) (опубликовано 30 января 2017 г.): 3234–3240. дои : 10.1021/acs.jpcc.6b12317 .
- ^ Лемишко Сергей С.; Лемишко, Александр С. (2020). «Неравновесное стационарное состояние в закрытой системе с обратимыми реакциями: механизм, кинетика и его возможное применение для преобразования энергии» . Результаты по химии . 2 (опубликовано 8 февраля 2020 г.): 100031. doi : 10.1016/j.rechem.2020.100031 .
