Тепловая смерть Вселенной: предположение или неизбежность? Второе начало термодинамики: вечный двигатель второго рода и тепловая смерть Вселенной Энтропия тепловая смерть вселенной.

Пришла пора разобраться со вторым фундаментальным постулатом термодинамики, который именуется второе начало термодинамики . Второе начало не является доказуемым в рамках классической термодинамики. Его формулировки – результат обобщения опытов, наблюдений и экспериментов. Попытаемся рассказать о нем кратко и понятно.

В прошлой статье по термодинамике мы говорили о термодинамических системах, состоящих из большого числа частиц. Для описания подобных систем используются так называемые функции состояния .

Термодинамическая функция состояния (или термодинамический потенциал) – это функция, зависящая от нескольких независимых параметров, определяющих состояние системы. Чтобы было понятнее, приведем пример. Одна из функций состояния системы – это ее внутренняя энергия. Она не зависит от того, как именно система оказалось в данном состоянии

Еще одно понятие, с которым нужно познакомиться – это энтропия . Для понимания второго начала термодинамики энтропия очень важна. А еще это красивое слово, которое многих ставит в ступор и которым можно блеснуть в компании.

В самом общем случае, энтропия – мера хаотичности некоторой системы

Простой пример : представим, что у вас есть ящик с носками. Если все носки в ящике разбросаны и валяются вперемешку и по одному, энтропия такой системы максимальна. А если носки собраны по парам и лежат аккуратненько в рядок - минимальна.

В термодинамике, энтропия – это функция состояния термодинамической системы, которая определяет меру необратимого рассеивания энергии. Что это значит? Это значит, что какая-то часть внутренней энергии системы не может перейти в совершаемую системой механическую работу. Например, процесс преобразования теплоты в механическую работу всегда сопровождается потерями, в результате которых теплота трансформируется в другие виды энергии.

При необратимых термодинамических процессах увеличивается, а при обратимых – остается постоянной. Математическая запись энтропии (S):

Здесь дельта Q – количество теплоты, подведенное или отведенное от системы, T – температура системы, dS – изменение энтропии.

Существует несколько различных формулировок второго начала термодинамики, и вот одна из них:

Энтропия замкнутой системы возрастает при любых необратимых процессах в этой системе

Так как нас интересует именно понимание сути вещей, приведем еще одно самое простое определение:

К слову, данная формулировка второго начала термодинамики принадлежит Рудольфу Клаузиусу, который и ввел в обиход понятие энтропии .

И снова вечный двигатель

После разочарования с идеей вечного двигателя первого рода люди и не думали сдаваться. Через какое-то время был придуман вечный двигатель второго рода, работа которого основывалась на передаче тепла и не перечила закону сохранения энергии. Такой двигатель преобразует все тепло, полученное от окружающих тел, в работу. Например, в качестве его реализации предполагалось путем охлаждения океана получить огромное количество теплоты. Но к счастью до охлаждения океана и заморозки рыб дело не дошло, т.к. данная идея противоречит второму началу динамики. КПД любой машины не может быть равен единице, также как тепло не может быть преобразовано в работу полностью. Так что сколько ни старайтесь, а вечный двигатель второго рода создать невозможно, так же как и вечный двигатель первого рода.

Тепловая смерть Вселенной

После введения Рудольфом Клаузиусом понятия энтропии в 1865 году возникло множество споров, домыслов и теорий, связанных с этим понятием. Одна из них – гипотеза о тепловой смерти Вселенной , сформулированная самим Клаузиусом на основе второго начала термодинамики.

Данная теория, сформулированная Клаузиусом, гласит, что Вселенная, как любая замкнутая система, стремится к состоянию термодинамического равновесия, характеризующемуся максимальной энтропией и полным отсутствием макроскопических процессов, что в свою очередь обессмысливает привычное нам понятие времени. По Клаузиусу: «Энергия мира остается постоянной. Энтропия мира стремиться к максимуму» . Это означает, что когда Вселенная придет в состояние термодинамического равновесия, все процессы прекратятся и мир погрузиться в состояние «тепловой смерти». Температура в любой точке Вселенной будет одной и той же, более не будет каких-либо причин, способных вызвать возникновение каких бы то ни было процессов.

Концепция тепловой смерти вселенной еще в недалеком прошлом была довольно широко распространена и являлась предметом активных дискуссий. Так, в книге Джинса «Universe around us» (1932г.) можно найти следующие строки касательно тепловой смерти Вселенной: «Вселенная не может существовать вечно; рано или поздно должно наступить время, когда ее последний эрг энергии достигнет наивысшей степени на лестнице падающей полезности, и в этот момент активная жизнь Вселенной должна будет прекратиться» .

При выводе своей теории Клаузиус прибегал в своих рассуждениях к следующим экстраполяциям (приближениям):

1. Вселенная рассматривается как замкнутая система.
2. Эволюция мира может быть описана как смена его состояний.

Интересный факт : рассуждения о тепловой смерти позволили церкви заявить, что с научной точки зрения (в том числе и благодаря теории Клаузиуса) можно найти предпосылки, указывающие на существование бога. Так, в 1952 году на заседании «папской академии наук» папа Пий 12-й в своей речи сказал: «Закон энтропии, открытый Рудольфом Клаузиусом, дал нам уверенность, что спонтанные природные процессы всегда связаны с некоторой потерей свободной, могущей быть использованной энергии, откуда следует, что в замкнутой материальной системе в конце концов эти процессы в макроскопическом масштабе когда-то прекратятся. Эта печальная необходимость...красноречиво свидетельствует о существовании Необходимого Существа» .

Опровержение теории тепловой смерти Вселенной

Как уже отмечалось выше Клаузиусом, при выводе его теории применялись определенные экстраполяции. Сегодня несмотря на некоторые сложности можно с уверенностью сказать, что подобные выводы являются антинаучными. Дело в том, что существуют определенные границы применимости второго начала термодинамики: нижняя и верхняя . Так, второе начало термодинамики не может быть применено для описания микросистем, размеры которых сравнимы с размерами молекул, и для макросистем, состоящих из бесконечного числа частиц, т.е. для Вселенной в целом.

Собственно первым ученым, установившим статистическую природу второго начала термодинамики и противопоставившим теории тепловой смерти Вселенной так называемую флуктуационную гипотезу, был выдающийся физик-материалист Больцман. Имеет место формула Больцмана, позволяющая дать статистическое истолкование второму началу термодинамики

Здесь S – энтропия системы, k – постоянная Больцмана, P – термодинамическая вероятность состояния, определяющая число микросостояний системы, соответствующих данному макросостоянию. Согласно формуле Больцмана,

То есть термодинамическая вероятность состояния изолированной системы при всех происходящих в ней процессах не может убывать. Однако т.к. для систем, состоящих из бесконечного числа частиц, все состояния будут равновероятными, вышеописанное соотношение неприменимо ко Вселенной. В подобных системах имеют место значительные флуктуации (флуктуация – отклонение истинного значения некоторой величины от ее среднего значения), представляющие собой отклонения от второго начала термодинамики. Согласно Больцману, состояние термодинамического равновесия представляет собой лишь наиболее часто встречающееся и наиболее вероятное; наряду с этим в равновесной системе могут самопроизвольно возникнуть сколь угодно большие флуктуации. То есть во Вселенной, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, постоянно возникают флуктуации, причем одной такой флуктуацией является та область пространства, в которой находимся мы.

Современный подход безусловно отвергает теорию тепловой смерти Вселенной. Учитывая огромный возраст Вселенной и тот факт, что она не находится в состояние тепловой смерти, можно сделать вывод о том, что во Вселенной протекают процессы, препятствующие росту энтропии, т.е. процессы с отрицательной энтропией. Однако выводам Больцмана о том, что во Вселенной преобладает состояние термодинамического равновесия, все более противоречит растущий экспериментальный материал астрономии. Материя обладает никогда не утрачиваемой способностью к концентрации энергии и превращения одних форм движения в другие. Так, например, процесс образования из рассеянной материи звезд подчиняется определенным закономерностям и не может быть сведен исключительно к случайным флуктуациям распределения энергии во Вселенной.

Дорогие друзья! Сегодня мы по возможности выяснили, какой смысл имеет понятие энтропии для второго начала термодинамики, узнали, что вечный двигатель второго рода невозможен, а также порадовались, что тепловой смерти Вселенной все-таки не случится. Мы как всегда надеемся на то, что вам понравилась наша статья, в которой мы старались рассказать о термодинамике просто, понятно и интересно. Желаем успехов в учебе и напоминаем – подсказать, помочь, проконсультировать и взять часть нагрузки на себя всегда готовы наши специалисты . Учитесь и живите в свое удовольствие!

До изобретения ядерного оружия никто и подумать не мог, что одна бомба может уничтожить целый город. Однако все изменилось после атаки на Хиросиму 6 августа 1945 года. Люди впервые столкнулись с технологией такой разрушительной силы. Это привело к появлению концепции «разумного разрушения»: однажды человек сделает или изобретет нечто такое, что уничтожит Вселенную. Хорошие новости: всех наших ядерных запасов не хватит даже для того, чтобы разрушить Землю. Но кто сказал, что мы единственные разумные существа во Вселенной? .

9. Конец игры

8. Разрушение основ

7. Столкновение с другой вселенной

6. Большое сжатие

5. Осциллирующая Вселенная

4. Барьер смерти

3. Большое поглощение

2. Большое замерзание

1. Большой разрыв

(ЕСЛИ КОГО-ТО ИЗ ЧИТАТЕЛЕЙ ЗАИНТЕРЕСУЕТ ЭТОТ ТЕКСТ, А ТАБЛИЦ И ФОРМУЛ БУДЕТ НЕ ХВАТАТЬ - ПИШИТЕ МНЕ НА ПОЧТУ - ВЫШЛЮ РАБОТУ В ЦЕЛОМ СО СНОСКАМИ, РИСУНКАМИ И ТАБЛИЦАМИ)
Введение
Тепловая смерть Вселенной (Т.С.В.) - это вывод о том, что все виды энергии во Вселенной в конце концов должны перейти в энергию теплового движения, которая равномерно распределится по веществу Вселенной, после чего в ней прекратятся все макроскопические процессы.
Этот вывод был сформулирован Р. Клаузиусом (1865) на основе второго начала термодинамики. Согласно второму началу, любая физическая система, не обменивающаяся энергией с другими системами (для Вселенной в целом такой обмен, очевидно, исключен), стремится к наиболее вероятному равновесному состоянию - к так называемому состоянию с максимумом энтропии.
Такое состояние соответствовало бы Т.С.В. Ещё до создания современной космологии были сделаны многочисленные попытки опровергнуть вывод о Т.С.В. Наиболее известна из них флуктуационная гипотеза Л. Больцмана (1872), 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.
Современной космологией установлено, что ошибочен не только вывод о Т.С.В., но ошибочны и ранние попытки его опровержения. Связано это с тем, что не принимались во внимание существенные физические факторы и прежде всего тяготение. С учётом тяготения однородное изотермическое распределение вещества вовсе не является наиболее вероятным и не соответствует максимуму энтропии.
Наблюдения показывают, что Вселенная резко нестационарна. Она расширяется, и почти однородное в начале расширения вещество в дальнейшем под действием сил тяготения распадается на отдельные объекты, образуются скопления галактик, галактики, звёзды, планеты. Все эти процессы естественны, идут с ростом энтропии и не требуют нарушения законов термодинамики. Они и в будущем с учётом тяготения не приведут к однородному изотермическому состоянию Вселенной - к Т.С.В. Вселенная всегда нестатична и непрерывно эволюционирует.
Термодинамический парадокс в космологии, сформулированный во второй половине ХIХ века, непрерывно будоражит с тех пор научное сообщество. Дело в том, что он затронул наиболее глубинные структуры научной картины мира. Хотя многочисленные попытки разрешения этого парадокса приводили всегда лишь к частным успехам, они порождали новые, нетривиальные физические идеи, модели, теории. Термодинамический парадокс выступает неиссякаемым источником новых научных знаний. Вместе с тем, его становление в науке оказалось опутанным множеством предубеждений и совершенно неверных интерпретаций.
Необходим новый взгляд на эту, казалось бы, довольно хорошо изученную проблему, которая приобретает нетрадиционный смысл в позднеклассической науке.
1. Идея Тепловой смерти Вселенной
1.1 Появление идеи Т.С.В.
Угроза тепловой смерти Вселенной, как мы уже говорили ранее, была высказана в середине ХIХ в. Томсоном и Клаузиусом, когда был сформулирован закон возрастания энтропии в необратимых процессах. Тепловая смерть - это такое состояние вещества и энергии во Вселенной, когда исчезли градиенты параметров, их характеризующих» .
Развитие принципа необратимости, принципа возрастания энтропии состояло в распространении этого принципа на Вселенную в целом, что и было сделано Клаузиусом.
Итак, согласно второму началу все физические процессы протекают в направлении передачи тепла от более горячих тел к менее горячим, а это означает, что медленно, но верно идет процесс выравнивания температуры во Вселенной. Следовательно, в будущем ожидается исчезновение температурных различий и превращение всей мировой энергии в тепловую, равномерно распределенную во Вселенной. Вывод Клаузиуса был следующим:
1. Энергия мира постоянна
2. Энтропия мира стремится к максимуму.
Таким образом, тепловая смерть Вселенной означает полное прекращение всех физических процессов вследствие перехода Вселенной в равновесное состояние с максимальной энтропией.
Больцман, открывший связь энтропии S и статистического веса P, считал, что нынешнее неоднородное состояние Вселенной есть грандиозная флуктуация*, хотя ее возникновение имеет ничтожно малую вероятность. Современники Больцмана не признавали его взглядов, что привело к жестокой критике его работ и, по-видимому, привело к болезненному состоянию и самоубийству Больцмана в 1906 г.
Обратившись к исходным формулировкам идеи тепловой смерти Вселенной, можно видеть, что они далеко не во всем соответствуют их хорошо известным интерпретациям, сквозь призму которых эти формулировки нами обычно воспринимаются. Принято говорить о теории тепловой смерти или термодинамическом парадоксе В. Томсона и Р. Клаузиуса.
Но, во-первых, соответствующие мысли этих авторов далеко не во всем совпадают, во-вторых, в приводимых ниже высказываниях ни теории, ни парадокса не содержится.
В. Томсон, анализируя проявляющуюся в природе общую тенденцию к рассеянию механической энергии, не распространял ее на мир как целое. Он экстраполировал принцип возрастания энтропии лишь на протекающие в природе крупномасштабные процессы.
Напротив, Клаузиус предложил экстраполяцию этого принципа именно на Вселенную как целое, выступавшую для него всеобъемлющей физической системой. По словам Клаузиуса «общее состояние Вселенной должно все больше и все больше изменяться» в направлении, определяемом принципом возрастания энтропии и, следовательно, это состояние должно непрерывно приближаться к некоторому предельному состоянию Флуктуации и проблема физических границ 2-го Начала термодинамики. Пожалуй, впервые термодинамический аспект в космологии обозначил еще Ньютон. Именно он подметил эффект «трения» в часовом механизме Вселенной – тенденцию, которую в середине XIX в. назвали ростом энтропии. В духе своего времени Ньютон призвал на помощь Господа Бога. Он и был приставлен сэром Исааком к слежению за подзаводом и ремонтом этих «часов».
В рамках космологии термодинамический парадокс был осознан в середине XIX в. Дискуссия о парадоксе породила ряд блестящих идей широкого научного значения («шредингерово» объяснение Л. Больцманом «антиэнтропийности» жизни; введение им флуктуаций в термодинамику, фундаментальные следствия чего в физике не исчерпаны до сих пор; его же грандиозная космологическая флуктуационная гипотеза, за концептуальные рамки которой физика в проблеме «тепловой смерти» Вселенной так еще и не вышла; глубокая и новаторская, но тем не менее исторически ограниченная флуктуационная трактовка Второго Начала.
1.2 Взгляд на Т.С.В. из ХХ века
Современное состояние науки также не согласуется с предположением о тепловой смерти Вселенной.
Прежде всего, этот вывод имеет отношение к изолированной системе и не ясно, почему Вселенную можно относить к таким системам.
Во Вселенной действует поле тяготения, которое не принималось Больцманом во внимание, а оно ответственно за появление Звезд и Галактик: силы тяготения могут привести к образованию структуры из хаоса, могут породить Звезды из Космической пыли.
Интересно дальнейшее развитие термодинамики и с ней на идею о Т.С.В.. На протяжении XIX века были сформулированы основные положения (начала) термодинамики изолированных систем. В первой половине XX века термодинамика развивалась в основном не вглубь, а вширь, возникали различные ее разделы: техническая, химическая, физическая, биологическая и т. д. термодинамики. Только в сороковых годах появились работы по термодинамике открытых систем вблизи точки равновесия, а в восьмидесятых годах возникла синергетика. Последнюю можно трактовать как термодинамику открытых систем вдали от точки равновесия.
Итак, современное естествознание отвергает концепцию «тепловой смерти» применительно к Вселенной в целом. Дело в том, что Клаузиус прибегнул в своих рассуждениях к следующим экстраполяциям:
1.Вселенная рассматривается как замкнутая система.
2.Эволюция мира может быть описана как смена его состояний.
Для мира как целого состояния с максимальной энтропией это имеет смысл, как и для любой конечной системы.
Но сама по себе правомочность этих экстраполяций весьма сомнительна, хотя связанные с ними проблемы представляют трудность и для современной физической науки.
2. Закон возрастания энтропии
2.1 Вывод закона возрастания энтропии
Применим неравенство Клаузиуса для описания необратимого кругового термодинамического процесса, изображенного на рис 1.
Рис. 1.
Необратимый круговой термодинамический процесс
Пусть процесс будет необратимым, а процесс - обратимым. Тогда неравенство Клаузиуса для этого случая примет вид(1)
Так как процесс является обратимым, для него можно воспользоваться соотношением, которое дает
Подстановка этой формулы в неравенство (1) позволяет получить выражение(2)
Сравнение выражений (1) и (2) позволяет записать следующее неравенство(3)в котором знак равенства имеет место в случае, если процесс является обратимым, а знак больше, если процесс - необратимый.
Неравенство (3) может быть также записано и в дифференциальной форме(4)
Если рассмотреть адиабатически изолированную термодинамическую систему, для которой, то выражение (4) примет вид или в интегральной форме.
Полученные неравенства выражают собой закон возрастания энтропии, который можно сформулировать следующим образом:
2.2 Возможность энтропии во Вселенной
В адиабтически изолированной термодинамической системе энтропия не может убывать: она или сохраняется, если в системе происходят только обратимые процессы, или возрастает, если в системе протекает хотя бы один необратимый процесс.
Записанное утверждение является ещё одной формулировкой второго начала термодинамики.
Таким образом, изолированная термодинамическая система стремится к максимальному значению энтропии, при котором наступает состояние термодинамического равновесия.
Необходимо отметить, что если система не является изолированной, то в ней возможно уменьшение энтропии. Примером такой системы может служить, например, обычный холодильник, внутри которого возможно уменьшение энтропии. Но для таких открытых систем это локальное понижение энтропии всегда компенсируется возрастанием энтропии в окружающей среде, которое превосходит локальное ее уменьшение.
С законом возрастания энтропии непосредственно связан парадокс, сформулированный в 1852 году Томсоном (лордом Кельвином) и названый им гипотезой тепловой смерти Вселенной. Подробный анализ этой гипотезы был выполнен Клаузиусом, который считал правомерным распространение на всю Вселенную закона возрастания энтропии. Действительно, если рассмотреть Вселенную как адиабатически изолированную термодинамическую систему, то, учитывая ее бесконечный возраст, на основании закона возрастания энтропии можно сделать вывод о достижении ею максимума энтропии, то есть состояния термодинамического равновесия. Но в реально окружающей нас Вселенной этого не наблюдается.
3. Тепловая смерть Вселенной в научной картине Мира
3.1 Термодинамический парадокс
Термодинамический парадокс в космологии, сформулированный во второй половине ХIХ века, непрерывно будоражит с тех пор научное сообщество. Дело в том, что он затронул наиболее глубинные структуры научной картины мира.
Хотя многочисленные попытки разрешения этого парадокса приводили всегда лишь к частным успехам, они порождали новые, нетривиальные физические идеи, модели, теории. Термодинамический парадокс выступает неиссякаемым источником новых научных знаний. Вместе с тем, его становление в науке оказалось опутанным множеством предубеждений и совершенно неверных интерпретаций. Необходим новый взгляд на эту, казалось бы, довольно хорошо изученную проблему, которая приобретает нетрадиционный смысл в постнеклассической науке.
Постнеклассическая наука, прежде всего, теория самоорганизации, проблему направленности термодинамических процессов в природе решает существенно иначе, чем наука классическая или неклассическая; это находит выражение в современной научной картине мира (НКМ).
Как же на самом деле появился термодинамический парадокс в космологии? Нетрудно убедиться, что он был фактически сформулирован оппонентами Томсона и Клаузиуса, которые увидели противоречие между идеей тепловой смерти Вселенной и коренными положениями материализма о бесконечности мира в пространстве и времени. Формулировки термодинамического парадокса, которые мы встречаем у различных авторов, на редкость схожи, практически полностью совпадают. «Если бы учение об энтропии, было правильным, то предполагаемому им «концу» мира должно было бы соответствовать и «начало», минимум энтропии», когда температурное различие между обособленными частями Вселенной было бы наибольшим.
В чем же состоит эпистемологическая природа рассматриваемого парадокса? Все цитированные авторы, по сути, приписывают ему философско-мировоззренческий характер. Но фактически здесь смешиваются два уровня знания, которые с нашей современной точки зрения следует различать. Исходным было все-таки возникновение термодинамического парадокса на уровне НКМ, на котором Клаузиус и осуществлял свою экстраполяцию возрастания принципа энтропии на Вселенную. Парадокс выступал как противоречие между выводом Клаузиуса и принципом бесконечности мира во времени, согласно космологии Ньютона. На том же уровне знания возникли и другие космологические парадоксы – фотометрический и гравитационный, причем их эпистемологическая природа была очень сходной.
«В самом деле, тепловая смерть Вселенной, даже если бы она произошла в каком-то отдаленном будущем, пусть даже через миллиарды или десятки миллиардов лет, все равно ограничивает «шкалу времени» человеческого прогресса» .
3.2 Термодинамический парадокс в релятивистских космологических моделях
Новый этап анализа термодинамического парадокса в космологии связан уже с неклассической наукой. Он охватывает 30 – 60-е годы ХХ века. Наиболее специфическая его черта – переход к разработке термодинамики Вселенной в концептуальных рамках теории А.А. Фридмана. Обсуждались как модернизированные варианты принципа Клаузиуса, так и новая модель Толмена, в которой возможна необратимая эволюция Вселенной без достижения максимума энтропии. Модель Толмена в конечном счете получила перевес в признании научного сообщества, хотя и не дает ответа на некоторые «трудные» вопросы. Но параллельно развивался также квазиклассический «антиэнтропийный подход», единственная цель которого состояла в том, чтобы любой ценой опровергнуть принцип Клаузиуса, а исходной абстракцией был образ бесконечной и «вечно юной», как выражался Циолковский, Вселенной. На основе этого подхода был разработан ряд, так сказать, «гибридных» схем и моделей, для которых было характерно довольно искусственное сочетание не только старых и новых идей в области термодинамики Вселенной, но также оснований классической и неклассической науки.
«В 30 – 40-е годы наибольшим влиянием среди сторонников релятивистской космологии продолжала пользоваться идея тепловой смерти Вселенной. Энергичными сторонниками принципа Клаузиуса выступали, например, А. Эддингтон и Дж. Джинс, неоднократно высказывавшиеся по поводу как физического смысла этой проблемы, так и ее «человеческого измерения». Вывод Клаузиуса был ими транслирован в неклассическую картину мира и в некоторых отношениях адаптирован к ней» .
Изменился прежде всего объект экстраполяции – Вселенная как целое.
Большой резонанс (и многократное цитирование) вызвала в 50-е годы сейчас почти забытая дискуссия по проблемам термодинамики Вселенной между К.П. Станюковичем и И.Р. Плоткиным. Обе они рассматривают статистико-термодинамические свойства модели Вселенной, сходной с Вселенной Больцмана, т.е. совпадают в отношении исследуемого объекта. Кроме того, оба считали, что проблемы термодинамики Вселенной могут анализироваться и независимо от ОТО, которая не вложила в закон возрастания энтропии нового содержания.
Но наряду с изложенными попытками „преодоления” гипотезы Больцмана разрабатывались и модернизированные варианты самой этой гипотезы. Наиболее известный из них принадлежит Я.П. Терлецкому.
Гибридные схемы» и модели решения термодинамического парадокса в космологии вызвали в 50-е – 60-е годы довольно значительный интерес – преимущественно в нашей стране. Они обсуждались на одном из совещаний по вопросам космогонии (Москва, 1957 г.), на симпозиумах по философских проблемам теории относительности Эйнштейна и релятивистской космологии (Киев, 1964, 1966 гг.) и др., но в дальнейшем ссылки на них становились все более редкими. Это произошло в немалой степени благодаря сдвигам в решении этого круга проблем, достигнутым релятивистской космологией и нелинейной термодинамикой.
3.3 Термодинамический парадокс в космологии и постнеклассическая картина мира
Качественно новые черты начала приобретать разработка проблемы термодинамики Вселенной на протяжении 80-х годов. Наряду с исследованием Вселенной в рамках неклассических оснований в этой области сейчас развивается и подход, который соответствует признакам «постнеклассической» науки.
Например, синергетика, в частности, теория диссипативных структур позволяет глубже, чем было возможно в неклассической науке, понять специфику нашей Вселенной как самоорганизующейся, саморазвивающейся системы.
Постнеклассическая наука позволяет внести ряд новых моментов в анализ проблем термодинамики Вселенной как целого. Но этот вопрос обсуждался пока лишь в самых общих чертах. Постнеклассическая наука позволяет внести ряд новых моментов в анализ проблем термодинамики Вселенной как целого. Но этот вопрос обсуждался пока лишь в самых общих чертах.
Основную цель подхода, основанного на статистической теории неравновесных процессов, И. Пригожин выразил так: «...мы отходим от замкнутой Вселенной, в которой все задано, к новой Вселенной, открытой флуктуациям, способной рождать новое» . Попытаемся понять это высказывание в контексте анализа тех космологических альтернатив, которые были выдвинуты М.П. Бронштейном.
1.Теория И. Пригожина в сочетании с современным развитием космологии, по-видимому, совместима скорее с пониманием Вселенной, как термодинамически открытой неравновесной системы, возникшей в результате гигантской флуктуации физического вакуума. Таким образом, в этом отношении постнеклассическая наука отходит от традиционной точки зрения, разделявшейся и М.П. Бронштейном. Кроме того, при анализе поведения Вселенной как целого в современной науке следует, по-видимому, отбросить то, что Пригожин назвал «путеводным мифом классической науки» – принцип «неограниченной предсказуемости» будущего. Для нелинейных диссипативных структур это связано с необходимостью учета «ограничений», обусловленных нашим действием на природу».
Наши знания о термодинамике Вселенной как целого, основанные на экстраполяции статистической теории неравновесных систем, также не могут игнорировать прямой или косвенный учет роли наблюдателя.
2.Теория И. Пригожина совершенно по-новому ставит проблему законов и начальных условий в космологии, снимает противоречия между динамикой и термодинамикой. С точки зрения этой теории оказывается, что Вселенная, как считал и М.П. Бронштейн, может подчиняться законам, асимметричным по отношению к прошлому и будущему – что нисколько не противоречит фундаментальности принципа возрастания энтропии, его космологической экстраполируемости.
3.Теория Пригожина – в хорошем соответствии с современной космологией – по-новому оценивает роль и вероятность макроскопических флуктуаций во Вселенной, хотя прежний механизм этих флуктуаций с современной точки зрения иной, чем у Больцмана. Флуктуации перестают быть чем-то исключительным, становятся вполне объективным проявлением спонтанного возникновения нового во Вселенной.
Таким образом, теория Пригожина позволяет довольно непринужденно ответить на вопрос, который вот уже почти полтора века раскалывает научное сообщество и так занимал в свое время К.Э. Циолковского: почему – вопреки принципу Клаузиуса – повсюду во Вселенной мы наблюдаем не процессы монотонной деградации, а напротив, процессы становления, возникновения новых структур. Переход от «физики существующего» к «физике возникающего» произошел во многом за счет синтеза представлений, казавшихся взаимоисключающими в прежних концептуальных рамках.
Идеи Пригожина, ведущие к пересмотру ряда фундаментальных представлений, как и все принципиально новое в науке, встречают неоднозначное отношение к себе – в первую очередь среди физиков. С одной стороны, растет число их сторонников, с другой – говорится о недостаточной корректности и обоснованности выводов Пригожина с точки зрения идеала развитой физической теории. Сами эти идеи интерпретируются иногда не вполне однозначно; в частности, некоторые авторы подчеркивают, что в процессе самоорганизации энтропия системы может уменьшаться. Если такая точка зрения правильна – она означает, что удалось, наконец, сформулировать те крайне специфические условия, о которых писал К.Э. Циолковский, обсуждая возможности существования в природе антиэнтропийных процессов.
Но идеи русского космизма, в том числе и космической философии К.Э. Циолковского, посвященные этим проблемам, находят и более непосредственную разработку в постнеклассической науке.
Например, Н.Н. Моисеев отмечает, что в ходе эволюции Вселенной происходит непрерывное усложнение организации структурных уровней природы, причем этот процесс носит явно направленный характер. Природой как бы запасен определенный набор потенциально возможных (то есть допустимых в рамках ее законов) типов организации и по мере развертывания единого мирового процесса в нем оказывается «задействованным» все большее количество этих структур. Разум и разумная деятельность должны быть включены в общий синтетический анализ процессов эволюции Вселенной.
Разработка идей самоорганизации, в частности, пригожинской теории диссипативных структур, связанная с пересмотром концептуальных оснований термодинамики стимулировала дальнейшее исследование этого уровня знания. Статистическая термодинамика, развитая еще в классической физике, содержит ряд незавершенностей и неясностей, отдельных странностей и парадоксов – несмотря на то, что с фактами у нее как будто «все в порядке». Но, согласно исследованиям Ф.А. Цицина, даже в такой установившейся и явно прошедшей «проверку временем» сфере научного поиска кроется немало неожиданностей.
Сопоставление характерных параметров флуктуаций, введенных еще Л. Больцманом и М. Смолуховским, доказывает существенную неполноту «общепринятой» статистической интерпретации термодинамики. Как ни странно, эта теория построена в пренебрежении флуктуациями! Отсюда следует, что необходимо ее уточнение, т.е. построение теории «следующего приближения».
Более последовательный учет флуктуационных эффектов заставляет признать физически нетождественными понятия «статистического» и «термодинамического» равновесия. Оказывается, далее, справедливым вывод, находящийся в полном противоречии с «общепринятым»: функциональная связь между ростом энтропии и стремлением системы к более вероятному состоянию отсутствует. Не исключены и такие процессы, в которых переход систем в более вероятное состояние может сопровождаться уменьшением энтропии! Учет флуктуаций в проблемах термодинамики Вселенной может привести, тем самым, к обнаружению физических границ принципа возрастания энтропии. Но Ф.А. Цицин не ограничивается в своих выводах основаниями классической и неклассической науки. Он высказывает предположение, что принцип возрастания энтропии неприменим к некоторым типам существенно нелинейных систем. Не исключена заметная «концентрация флуктуаций» в биоструктурах. Возможно даже, что подобные эффекты уже давно фиксируются в биофизике, но их не осознают или неправильно интерпретируют, именно потому, что считают «принципиально невозможными». Подобные явления могут быть известны другим космическим цивилизациям и эффективно использоваться ими, в частности, в процессах космической экспансии.
Заключение
Итак, мы можем отметить, что в постнеклассической науке были сформулированы принципиально новые подходы к анализу принципа Клаузиуса и устранению термодинамического парадокса в космологии. Наиболее значительны перспективы, которых можно ожидать от космологической экстраполяции теории самоорганизации, развитой на основе идей русского космизма.
Необратимые процессы в резко неравновесных, нелинейных системах позволяют, по-видимому, избежать тепловой смерти Вселенной, поскольку она оказывается открытой системой. Продолжаются и поиски теоретических схем «антиэнтропийных» процессов, непосредственно предсказываемых научной картиной мира, основанной на космической философии К.Э. Циолковского; правда, такой подход разделяется лишь немногими естествоиспытателями. Сквозь всю новизну постнеклассических подходов к анализу проблем термодинамики Вселенной «просвечивают», однако, те же самые «темы», которые сформировались еще во второй половине Х1Х века и порождены парадоксом Клаузиуса и дискуссиями вокруг него.
Мы видим таким образом, что принцип Клаузиуса до сих пор является почти неиссякаемым источником новых идей в комплексе физических наук. Тем не менее, несмотря на появление все новых моделей и схем, в которых тепловая смерть отсутствует, никакого «окончательного» разрешения термодинамического парадокса до сих пор не достигнуто. Все попытки разрубить «гордиев узел» проблем, связанных с принципом Клаузиуса, неизменно приводили лишь к частичным, отнюдь не строгим и не окончательным выводам, как правило, достаточно абстрактным. Содержавшиеся в них неясности порождали все новые проблемы и пока нет особой надежды, что успеха удастся достигнуть в обозримом будущем.
Вообще говоря, это – вполне обычный механизм развития научного познания, тем более, что речь идет об одной из наиболее фундаментальных проблем. Но ведь далеко не всякий принцип науки, как и вообще не любой фрагмент НКМ, является столь эвристичным, каким выступает принцип Клаузиуса. Можно назвать несколько причин, объясняющих, с одной стороны, эвристичность этого принципа, который до сих пор не вызывает ничего, кроме раздражения, у догматиков – безразлично, естествоиспытателей или философов, с другой – неудачи его критиков.
Первое – сложности любых противостоящих этому принципу «игр с бесконечностью», каковы бы ни были их концептуальные основания.
Вторая причина – использование неадекватного смысла термина «Вселенная как целое» – все еще обычно понимаемого в значении «всего существующего» или «тотальности всех вещей». Неопределенность этого термина, вполне соответствующая неясностям употребления неэксплицируемых смыслов бесконечности, резко противостоит четкости формулировки самого принципа Клаузиуса. Понятие „Вселенная” в этом принципе не конкретизировано, но именно потому и возможно рассматривать проблему его применимости к различным вселенным, конструируемым средствами теоретической физики и интерпретируемым как „все существующее” лишь с точки зрения данной теории (модели).
И, наконец, третья причина: как сам принцип Клаузиуса, так и попытки разрешения выдвинутого на его основе термодинамического парадокса предвосхитили одну из черт постнеклассической науки _ включенность гуманистических факторов в идеалы и нормы объяснения, а также доказательности знаний. Эмоциональность, с какой на протяжении более сотни лет критиковали принцип Клаузиуса, выдвигали различные его альтернативы, анализировали возможные схемы антиэнтропийных процессов, имеет, пожалуй, мало прецедентов в истории естествознания – и классического, и неклассического. Принцип Клаузиуса явно апеллирует к постнеклассической науке, которая включает „человеческое измерение”. Естественно, в прошлом эта особенность рассматриваемых знаний еще не могла быть по-настоящему осознана. Но сейчас, ретроспективно, некие «зародыши» идеалов и норм постнеклассической науки мы находим в этих старых дискуссиях.
Литература
1.Концепции современного естествознания./ под ред. проф. С.А. Самыгина, 2-е изд. – Ростов н/Д: «Феникс», 1999. – 580 с.
2.Данилец А.В.Естествознание сегодня и завтра - СПб.: Народная библиотека 1993
3.Дубнищева Т.Я.. Концепции современного естествознания. Новосибирск: Изд-во ЮКЭА, 1997. – 340 с.
4.Пригожин И. От существующего к возникающему. М.: Наука, 1985. – 420 с.
5.Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1999. – 280 с.
6.Станюкович К.П. К вопросу о термодинамике Вселенной // Там же. С. 219-225.
7.Суорц Кл.Э. Необыкновенная физика обыкновенных явлений. Т.1. - М.: Наука, 1986. – 520 с.
8.О человеческом времени. - «Знание-Сила», № , 2000 г. С.10-16
9.Цицин Ф.А. Понятие вероятности и термодинамика Вселенной // Философские проблемы астрономии ХХ века. М., 1976. С. 456-478.
10.Цицин Ф.А. Термодинамика, Вселенная и флуктуации // Вселенная, астрономия, философия. М., 1988. С. 142-156
11.Цицин Ф.А. [К термодинамике иерархической Вселенной]// Труды 6-го совещания по вопросам космогонии (5-7 июня 1957 г.). М., 1959. С. 225-227.

Любой участок цикла Карно и весь цикл в целом может быть пройден в обоих направлениях. Обход цикла по часовой стрелке соответствует тепловому двигателю, когда полученное рабочим телом тепло частично превращается в полезную работу. Обход против часовой стрелки соответствуетхолодильной машине , когда некоторое количество теплоты отбирается от холодного резервуара и передается горячему резервуару за счет совершения внешней работы . Поэтому идеальное устройство, работающее по циклу Карно, называют обратимой тепловой машиной. В реальных холодильных машинах используются различные циклические процессы. Все холодильные циклы на диаграмме (p, V) обходятся против часовой стрелки. Энергетическая схема холодильной машины представлена на рис. 3.11.5.

Устройство, работающее по холодильному циклу, может иметь двоякое предназначение. Если полезным эффектом является отбор некоторого количества тепла |Q2| от охлаждаемых тел (например, от продуктов в камере холодильника), то такое устройство является обычным холодильником. Эффективность работы холодильника можно охарактеризовать отношением

Если полезным эффектом является передача некоторого количества тепла |Q1| нагреваемым телам (например, воздуху в помещении), то такое устройство называется тепловым насосом . Эффективность βТ теплового насоса может быть определена как отношение

следовательно, βТ всегда больше единицы. Для обращенного цикла Карно