Тепловая смерть вселенной – все о космосе

Проблема тепловой смерти Вселенной (стр. 1 из 3)

Содержание

Введение

1. Понятие Вселенной

2. Проблема тепловой смерти Вселенной

2.1 Второй закон термодинамики

2.2 “За” и “против” теории тепловой смерти

Заключение

Введение

В данной работе мы поговорим о будущем нашей Вселенной. О будущем очень далеком, настолько, что неизвестно, наступит ли оно вообще. Жизнь и развитие науки существенно меняют наши представления и о Вселенной, и об ее эволюции, и о законах, управляющих этой эволюцией.

В самом деле, существование черных дыр было предсказано еще в XVIII веке.

Но лишь во второй половине XX столетия их стали рассматривать как гравитационные могилы массивных звезд и как места, куда может навечно «провалиться» значительная часть вещества, доступного наблюдениям, выбывая из общего круговорота.

А позже стало известно, что черные дыры испаряются и, таким образом, возвращают поглощенное, хотя совсем в другом обличие. Новые идеи постоянно высказываются космофизиками. Поэтому картины, нарисованные еще совсем недавно, неожиданно оказываются устаревшими.

Одним из наиболее дискуссионных вот уже около 100 лет является вопрос о возможности достижения равновесного состояния во Вселенной, что эквивалентно понятию ее «тепловой смерти». В данной работе мы и рассмотрим его.

A что такое Вселенная? Ученые под этим термином понимают максимально большую область пространства, включающую в себя как все доступные для изучения небесные тела и их системы, т.е. как Метагалактику, так и возможное окружение, еще влияющее на характер распределения и движения тел в ее астрономической части.

Известно, что Метагалактика находится в состоянии приблизительно однородного и изотропного расширения. Все галактики удаляются друг от друга со скоростью тем большей, чем больше расстояние между ними. С течением времени скорость этого расширения уменьшается.

На расстоянии 15-20 миллиардов световых лет удаление происходит со скоростью, близкой к скорости света. По этой и ряду других причин, мы не можем видеть более далекие объекты. Существует как бы некий «горизонт видимости». Вещество на этом горизонте находится в сверхплотном («сингулярном», т.е.

особом) состоянии, в каком оно было в момент условного начала расширения, хотя на этот счет имеются и другие предположения.

Из-за конечности скорости распространения света (300000 км/с) мы не можем знать, что происходит на горизонте сейчас, но некоторые теоретические расчеты позволяют думать, что за пределами горизонта видимости вещество распределено в пространстве примерно с той же плотностью, что и внутри него.

Именно это и приводит как к однородному расширению, так и к наличию самого горизонта. Поэтому часто Метагалактику не ограничивают видимой частью, а рассматривают как сверхсистему, отождествленную со всей Вселенной в целом, считая ее плотность однородной.

В простейших космологических построениях рассматривают два основных варианта поведения Вселенной – неограниченное расширение, при котором средняя плотность вещества с течением времени стремится к нулю, и расширение с остановкой, после которой Метагалактика должна начать сжиматься.

В общей теории относительности показывается, что наличие вещества искривляет пространство. В модели, где расширение сменяется сжатием, плотность достаточно высока и кривизна оказывается такой, что пространство «замыкается на себя», подобно поверхности сферы, но в мире с большим, чем «у нас», числом измерений. Наличие горизонта приводит к тому, что даже этот пространственно конечный мир мы не можем видеть целиком. Поэтому с точки зрения наблюдений замкнутый и открытый мир различаются не очень сильно.

Скорее всего, реальный мир устроен сложнее.

Многие космологи предполагают, что существует несколько, может быть, даже очень много метагалактик и все они вместе могут представлять какую-то новую систему, являющуюся частью некоторого еще более крупного образования (может быть, принципиально иной природы).

Отдельные части этого гипермира (вселенные в узком смысле) могут иметь совершенно различные свойства, могут быть не связаны друг с другом известными нам физическими взаимодействиями (или быть слабо связанными, что имеет место в случае так называемого полузамкнутого мира).

В этих частях гипермира могут проявляться иные законы природы, а фундаментальные константы типа скорости света могут иметь другие значения или вообще отсутствуют. Наконец, в таких вселенных может быть не такое, как у нас, число пространственных измерений.

2.1 Второй закон термодинамики

Согласно второму закону (началу) термодинамики, процессы, происходящие в замкнутой системе, всегда стремятся к равновесному состоянию. Иными словами, если нет постоянного притока энергии в систему, идущие в системе процессы стремятся к затуханию и прекращению.

Идея о допустимости и даже необходимости применения второго закона термодинамики ко Вселенной как целому принадлежит В. Томсону (лорду Кельвину), который опубликовал ее еще в 1852 г. Несколько позже Р. Клаузиус сформулировал законы термодинамики в применении ко всему миру в следующем виде: 1. Энергия мира постоянна. 2. Энтропия мира стремится к максимуму.

Максимальная энтропия как термодинамическая характеристика состояния соответствует термодинамическому равновесию.

Поэтому обычно интерпретация этого положения сводилась (часто сводится и сейчас) к тому, что все движения в мире должны превратиться в теплоту, все температуры выровняются, плотность в достаточно больших объемах должна стать всюду одинаковой. Это состояние и получило название тепловой смерти Вселенной.

Реальное разнообразие мира (кроме, разве что, распределения плотности на самых больших ныне наблюдаемых масштабах) далеко от нарисованной картины. Но если мир существует вечно, состояние тепловой смерти уже давно должно было бы наступить. Полученное противоречие получило название термодинамического парадокса космологии.

Чтобы его ликвидировать, нужно было допустить, что мир существует недостаточно долго. Если говорить о наблюдаемой части Вселенной, а также о ее предполагаемом окружении, то это, по-видимому, так и есть. Мы уже говорили о том, что она находится в состоянии расширения.

Возникла она скорее всего в результате взрывообразной флуктуации в первичном вакууме сложной природы (или, можно сказать, в гипермире) 15 или 20 миллиардов лет назад. Астрономические объекты – звезды, галактики – возникли на более поздней стадии расширения из первоначально почти строго однородной плазмы.

Однако по отношению к далекому будущему вопрос остается. Что ждет нас или наш мир? Наступит рано или поздно тепловая смерть или же этот вывод теории по каким-то причинам неверен?

2.2 «За» и «против» теории тепловой смерти

Многие выдающиеся физики (Л. Больцман, С. Аррениус и др.) категорически отрицали возможность тепловой смерти. Вместе с тем даже и в наше время не менее крупные ученые уверены в ее неизбежности.

Если говорить о противниках, то, за исключением Больцмана, обратившего внимание на роль флуктуаций, их аргументация была скорее эмоциональной. Лишь в тридцатые годы нашего столетия появились серьезные соображения относительно термодинамического будущего мира.

Все попытки решения термодинамического парадокса можно сгруппировать в соответствии с тремя основными идеями, положенными в их основу:

1. Можно думать, что второй закон термодинамики неточен или же неверна его интерпретация.

2. Второй закон верен, но неверна или неполна система остальных физических законов.

3. Все законы верны, но неприменимы ко всей Вселенной из-за каких-то ее особенностей.

В той или иной мере все варианты могут быть использованы и действительно используются, хотя с разным успехом, для опровержения вывода о возможной тепловой смерти Вселенной в сколь угодно удаленном будущем. По поводу первого пункта заметим, что в «Термодинамике» К.А. Путилова (М.

, Наука, 1981) приводится 17 различных определений энтропии, не все из которых эквивалентны. Мы скажем лишь, что если иметь в виду статистическое определение, учитывающее наличие флуктуаций (Больцман), второй закон в формулировке Клаузиуса и Томсона действительно оказывается неточным.

Закон возрастания энтропии, оказывается, имеет не абсолютный характер. Стремление к равновесию подчинено вероятностным законам. Энтропия получила математическое выражение в виде вероятности состояния.

Таким образом, после достижения конечного состояния, которое до сих пор предполагалось соответствующим максимальной энтропии Smax, система будет находиться в нем более продолжительное время, чем в других состояниях, хотя последние неизбежно будут наступать из-за случайных флуктуаций.

При этом крупные отклонения от термодинамического равновесия будут значительно более редкими, чем небольшие. На самом деле состояние с максимальной энтропией достижимо только в идеале. Эйнштейн отметил, что «термодинамическое равновесие, строго говоря, не существует». Из-за флуктуаций энтропия будет колебаться в каких-то небольших пределах, всегда ниже Smax.

Ее среднее значение будет соответствовать больцмановскому статистическому равновесию. Таким образом, вместо тепловой смерти можно было бы говорить о переходе системы в некоторое «наиболее вероятное», но все же конечное статистически равновесное состояние. Считается, что термодинамическое и статистическое равновесие – практически одно и то же.

Это ошибочное мнение опроверг Ф.А. Цицин, показавший, что различие в действительности весьма велико, хотя о конкретных значениях разницы мы здесь говорить не можем. Важно, что любая система (например, идеальный газ в сосуде) рано или поздно будет иметь не максимальное значение энтропии, а скорее , соответствующее, как будто, сравнительно малой вероятности.

Но здесь дело в том, что энтропию имеет не одно состояние, а громадная их совокупность, которую лишь по небрежности называют единым состоянием. Каждое из состояний с имеет и в самом деле малую вероятность осуществления, и поэтому в каждом из них система не задерживается долго. Но для их полного набора вероятность получается большой.

Поэтому совокупность частиц газа, достигнув состояния с энтропией, близкой к , должна довольно быстро перейти в какое-то другое состояние с примерно той же энтропией, затем в следующее и т.д. И хотя в состоянии, близком к Smax, газ будет проводить больше времени, чем в любом из состояний с , последние вместе взятые становятся более предпочтительными.

Источник: http://MirZnanii.com/a/179/problema-teplovoy-smerti-vselennoy

Тепловая смерть Вселенной

Второй закон (начало) термодинамики говорит о том, что внутренняя энергия тепла (теплота) не может самостоятельно переходить от менее нагретого объекта к более нагретому объекту. Появление теории в 19 веке  

Рудольф Клаузис

Читайте также:  Исследование кометы чурюмова-герасименко - все о космосе

В результате Второго закона термодинамики любая физическая система, не обменивающаяся энергией с другими системами, стремится к самому вероятному состоянию равновесия — к состоянию с наибольшей энтропией (величина характеризующая степень неупорядоченности и теплового состояния физической системы).

Этот закон впервые был описан Сади Карно в 1824 году. Как следствие этого, уже в 1852 году Уильям Кельвин предложил гипотезу о грядущей в будущем “тепловой смерти Земли“ в ходе процесса остывания нашей планеты до безжизненного состояния.

В 1865 году Рудольф Клаузиус распространил эту гипотезу уже на всю Вселенную.

В 1872 году австрийский физик Людвиг Больцман попытался количественно оценить энтропию с помощью формулы S = k * ln W (где, S — энтропия, k — константа Больцмана, W — количество микросостояний, реализующих макросостояние. Микросостояние — это состояние отдельной составляющей системы, а макросостояние — состояние системы в целом.

Наглядно об энтропии

В настоящее время энтропия видимой части нашей Вселенной оценивается примерно в 1088 или 10 октовигинтиллионов. Это значение примерно соответствует числу фотонов в нашей Вселенной, для сравнения число фотонов во Вселенной примерно в миллиард раз превышает число барионов (обычных элементарных частей состоящих из нескольких кварков – протонов, нейтронов, и т.д.).

Развитие теории в 20 веке

Открытие расширения Вселенной в 20 веке укрепило гипотезу будущей “тепловой смерти Вселенной“. Астрономические наблюдения наиболее удаленных частей наблюдаемой Вселенной показали, что наша Вселенная на масштабе в несколько сотен мегапарсек имеет неупорядоченный ячеистый вид, в котором сверхскопления галактик чередуются с огромными пустотами (войдами).

Крупномасштабная структура Вселенной

Ещё большим свидетельством справедливости гипотезы стало открытие реликтового излучения – теплового излучения Вселенной, возникшего во время рекомбинации (соединения протонов и электронов в атомы) первичного водорода, которое случилось через 379 тысяч лет.

Процесс рекомбинации происходит при температурах в 3 тысячи Кельвинов, в то же время текущая температура реликтового излучения, определенная по его максимуму составляет только 2.7 Кельвинов.

Изучение реликтового излучения показало, что оно является изотропным (однородным) для любого направления на небе на уровне в 99.999%.

Наглядная модель Вселенной

Астрономические наблюдения позволяют построить т.н. диаграмму Мадо («Madau-diagram»), которая показывает зависимость темпа звездообразования в зависимости от возраста Вселенной.

Эта диаграмма показывает, что пик звездообразования пришелся на 1-2 миллиард лет жизни нашей Вселенной

Изучение статистики квазаров (ядер активных галактик) позволяет независимо оценить темп звездообразования. Обзор 2DF, проведенный в 1997-2002 году на австралийском телескопе ААТ изучил около 10 тысяч квазаров на площади неба в 1.5 тысяч квадратных градусов в областях обоих галактических полюсов.

Другим доказательством верности теории будущей “тепловой смерти Вселенной“ стали исследования ядерной физики, которые показали, что энергия связи нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре растет по мере увеличения их числа в ядре большинства химических элементов.

Диаграмма показывает, что пик звездообразования пришелся на 1-2 миллиард лет жизни нашей Вселенной

Следствием этой зависимости стало то, что термоядерные реакции слияния с участием более легких химических элементов (к примеру, водорода и гелия) приводят к выделению значительно большего количества энергии в недрах звезд, чем термоядерные реакции с участием более тяжелых химических элементов. Кроме того теоретические исследования в конце 20 века предположили, что и черные дыры не являются вечными, а постепенно испаряются под действием “излучения Хокинга“ (гипотетическое излучение черных дыр, которое преимущественно состоит из фотонов).

Аргументы против гипотезы “тепловой смерти“ Вселенной

Иллюстрация теории Большого разрыва Вселенной

Сомнения в справедливости гипотезы неизбежной “тепловой смерти Вселенной” в будущем можно разделить на несколько моментов (см. иллюстрацию теории Большого разрыва Вселенной).

Существует неопределенность в прогнозировании будущих изменений объема нашей Вселенной. Существует как теория Большого разрыва Вселенной (ускоренного расширения Вселенной до бесконечности), так и теория Большого сжатия Вселенной (в будущем Вселенная начнет сжиматься). Неопределенность между этими вариантами вызвана недавними открытиями загадочной темной материи и энергии.

Иллюстрация теории бесконечного цикла сжатия и расширения Вселенной

Существует неопределенностью в вопросе количества существующих Вселенных, и возможности связи между ними. С одной стороны фотометрический парадокс (парадокс Шезо — Ольберса) темного неба говорит о конечности размера и возраста нашей Вселенной, а так же об отсутствии её связи с другими Вселенными.

Слабое современное понимание влияния темной материи и энергии на эволюцию Вселенной

С другой стороны из принципа заурядности (принципа Коперника) следует, что наша Вселенная не уникальна, и должно существовать бесконечное множество других Вселенных с другим набором физических констант. Кроме того современная физика допускает существование пространственно-временных туннелей (кротовых нор) между разными Вселенными.

При охлаждении обычного вещества (переходе его в твердое состояние) его энтропия не увеличивается, а наоборот уменьшается:

Энтропия на примере воды

Ключевыми моментами теории “тепловой смерти” Вселенной является возможность распада протона и существование “излучения Хокинга“, но эти гипотетические явления пока не доказаны экспериментально.

Информационный парадокс

Существует большая неопределенность в вопросе влияния жизни и разума на динамику энтропии Вселенной. В вопросе влияния неразумных жизненных форм на энтропию Вселенной мало сомнений, что жизнь уменьшает энтропию. В качестве доказательств этого можно привести факты более сложной природы живых организмов по сравнению с любыми неорганическими химическими веществами.

Поверхность нашей планеты за счет биосферы выглядит куда более разнообразной по сравнению с “мертвой“ поверхностью ЛуныМарса или Венеры.

Кроме того простейшие живые организмы замечены в деятельности по обогащению земной атмосферы кислородом (биогенный кислород), а так же генерированию богатых месторождений полезных ископаемых (биогенез).

Сравнение поверхности Венеры, Земли, Луны, Марса и Титана (слева направо)

В то же время остаётся без ответа вопрос о том, увеличивает или уменьшает энтропию Вселенной разумная жизнь (то есть человек)? С одной стороны человеческий мозг является наиболее сложной формой из известных среди живых организмов, как и то, что научно-технический прогресс позволил людям достичь невиданных высот в познании и конструирование, в том числе в синтезировании химических элементов и элементарных частиц, которых не наблюдается в природе. Современная человеческая цивилизация способна предотвращать крупные природные катастрофы (лесные пожары, наводнения, массовые эпидемии и т.д.) и в шаге от возможности предотвращения катастроф планетарного масштаба (падения небольших астероидов и комет).

Ночная фотография поверхности Земли из космоса

С другой стороны человеческая цивилизация выделяется и “энтропийными“ тенденциями.

Растет разрушительная мощь оружейных арсеналов вместе с увеличением числа опасных химических и ядерных производств, горная промышленность всего за десятилетия способна опустошить месторождения полезных ископаемых, которые накапливались на планете многие сотни миллионов лет.

Развитие сельского хозяйства привело к обезлесению большей части поверхности нашей планеты, а так же способствует деградации почв и опутыванию. Браконьерство, выбросы парниковых газов (возможное окисление океана) и т.д.

быстро сокращают биоразнобразие нашей планеты, в связи, с чем экологи причисляют нынешнее время к новому массовому вымиранию. Кроме того в последние десятилетия отмечено сильное снижение рождаемости и в наиболее развитых странах, не исключено что эта демографическая ситуация стала следствием запредельного усложнения быта человеческой цивилизации.

Тепловая смерть Земли

В связи со всеми этими тенденциями, ближайшее будущее человеческой цивилизации представляет собой огромное количество возможных вариантов: начиная от эпической картины космической колонизации всей галактики вместе со строительством сфер Дайсона, расцветом искусственного интеллекта и установлением контакта с внеземными цивилизациями вплоть до отката в вечное средневековье на планете с подорванными минеральными и биологическими ресурсами. Парадокс Ферми (Великое молчание Вселенной) добавляет ещё больше неопределенности в вопросе влияния жизни и разума на динамику энтропии Вселенной, так как существует огромный диапазон для его объяснения: от огромной редкости биосфер и разумных цивилизаций во Вселенной до гипотезы, что наша Земля представляет собой некий “заповедник“ или “матрицу“ в мире разумных сверхцивилизаций.

Современное представление о “тепловой смерти“ Вселенной

В настоящее время физики рассматривают следующую последовательность эволюции Вселенной в будущем при условии её дальнейшего расширения с текущей скоростью:

  • 1-100 триллионов (1012) лет – завершение процессов образования звезд во Вселенной и угасание даже самых поздних красных карликов. После этого момента во Вселенной останутся только звездные остатки: черные дыры, нейтронные звезды и белые карлики.
  • 1 квадратиллионов (1015) лет – все планеты покинут свои орбиты вокруг звезд в связи с гравитационными возмущениями от близких пролетов других звезд.
  • 10-100 квинтиллионов (1018) лет – все планеты, коричневые карлики и звездные остатки покинут свои галактики по причине постоянных гравитационных возмущений друг от друга.
  • 100 квинтиллионов (1018) лет – приблизительное время падения Земли на Солнце по причине излучения гравитационных волн, в случае если бы Земля пережила стадию красного гиганта и осталась бы на своей орбите.
  • 2 анвигинтиллиона (1066) лет – приблизительное время полного испарения черной дыры массой с Солнце.
  • 17 септдециллиардов (10105) лет – приблизительное время полного испарения черной дыры массой в 10 триллионов масс Солнца. Это время окончания эпохи черных дыр.

В дальнейшем будущее Вселенной распадается на два возможных варианта в зависимости от того является ли протон стабильной элементарной частицей или нет:

  • А) Протон является нестабильной элементарной частицей;
  • А1) 10 дециллионов (1033) лет – наименьшее возможное время полураспада протона согласно экспериментам ядерных физиков на Земле;
  • А2) 2 ундециллиона (1036) лет – наименьшее возможное время распада всех протонов во Вселенной;
  • А3) 100 додециллионов (1039) лет – наибольшее возможное время полураспада протона, которое следует из гипотезы, что Большой взрыв объясняется инфляционными космологическими теориями, и что распад протона вызван тем же процессом, который ответственен за преобладание барионов над антибарионами в ранней Вселенной;
  • А4) 30 тредециллионов (1041) лет – максимальное возможное время распада всех барионов во Вселенной. После этого времени должна начаться эпоха черных дыр, так как они останутся единственными существующими небесными объектами во Вселенной;
  • А5) 17 септдециллиардов (10105) лет – примерное время полного испарения даже наиболее массивных черных дыр. Это время окончания эпохи черных дыр, и наступления эпохи вечной тьмы, в которой все объекты Вселенной распались до субатомных частиц и замедлились до наименьшего энергетического уровня.
Читайте также:  Звёздное скопление бабочка м6 - все о космосе

Иллюстрация сценария будущего Вселенной где протон является нестабильной элементарной частицей

Б) Протон стабильная элементарная частица;

Б1) 100 вигинтиллионов (1063) лет – время, за которое все тела в твердой форме даже при абсолютном нуле превратятся в “жидкообразное” состоянии, вызванное эффектом квантового туннелирования – миграцией в другие части кристаллической решетки;

Б2) 101500 лет – появление гипотетических железных звезд по причине процессов холодного нуклеосинтеза, идущего путём квантового туннелирования, в ходе которого легкие ядра преобразуются в наиболее стабильный изотоп – Fe56 (по другим сведениям самым стабильным изотопом является никель-62, который обладает наиболее высокой энергией связи.). Одновременно тяжелые ядра также превращаются в железо по причине радиоактивного распада;

Черные дыры

Б3) 10 в 1026 – 10 в 1076 лет – оценка диапазона времени в течение которого все вещество во Вселенной аккрецирует в черные дыры.

Эпоха черных дыр

Кадр из клипа группы Комплексные числа “Неизбежность”

И в заключение можно отметить предположение, что после 10 в 10120 лет все вещество во Вселенной достигнет минимального энергетического состояния. То есть это и будет гипотетическое наступление “тепловой смерти“ Вселенной. Кроме того у математиков существует понятие времени возврата Пуанкаре.

Это понятие означает вероятность того, что рано или поздно любая часть системы вернется в свое первоначальное состояние.

Хорошей иллюстрацией этого понятия является вариант, когда в сосуде, разделенном на две части перегородкой, в одной из частей находится некий газ.

Если убрать перегородку, то все равно рано или поздно наступит время, когда все молекулы газа окажутся в исходной половине сосуда. Для нашей Вселенной время возврата Пуанкаре оценивается фантастически большой величиной.

Теория “тепловой смерти“ Вселенной стала популярна и в массовой культуре. Хорошей иллюстрацией этой теории стал клип группы Комплексные числа: “Неизбежность”, а так же научно-фантастический рассказ Айзека Азимова “Последний вопрос”.

spacegid.com

Источник: https://subscribe.ru/group/kosmos-galaktiki-nlo-i-inoplanetyane/14582511/

Судьба Вселенной: тепловая смерть, большой взрыв или космическое сознание?

По мере накопления большего количества данных космологи всё ближе подходят к пониманию будущего Вселенной. И я боюсь, что это будет плохая новость.

Формирование звёзд прекратится, и чёрные дыры поглотят всё и сами исчезнут в небытии. Может даже произойти большой взрыв.

Но для тех, кто не против подождать ещё 101050 лет или около того, будет казаться, что происходят странные события. /epochtimes.ru/

Но прежде чем мы рассмотрим случайные события в очень далёком будущем, давайте начнём с того, что мы знаем о прошлом и настоящем.

Прошлое

Причина, по которой мы можем изучать эволюцию Вселенной в прошлом, является то, что в некоторых отношениях астрономия аналогична археологии.

Очевидно, что чем больше мы вглядываемся в нашу родную планету, тем дальше назад во времени мы видим Вселенную. И когда мы смотрим далеко в прошлое, мы видим, что галактики были ближе друг к другу, чем в настоящее время.

Это наблюдение в сочетании с теорией относительности Эйнштейна означает, что Вселенная началась с большого взрыва и с тех пор расширяется.

Настоящее

В конце прошлого века одним из самых актуальных вопросов в современной космологии было измерение скорости замедления Вселенной. Учитывая количество массы,  наблюдаемое в космосе, считали, что этого может быть достаточно, чтобы вызвать в конечном итоге прекращение расширения.

Примечательно, что две независимых группы учёных пришли к прямо противоположному выводу. Расширение Вселенной не замедляется, а ускоряется. За это важное открытие они получили Нобелевскую премию по физике в 2011 году, однако определение последствий расширения потребует немало усилий.

Размышляя об ускоряющейся Вселенной, можно придти к заключению, что должна быть какая-то материя (или поле), которая пронизывает Вселенную и оказывает негативное давление (отталкивающая гравитация). Мы называем её тёмной энергией.

Это может показаться немного надуманным, но были проведены независимые эксперименты, чтобы подтвердить ускорение Вселенной и существование тёмной энергии.

С 2006 года я был вовлечён в WiggleZ Dark Energy Survey — научный эксперимент, проводимый с целью подтверждения ускорения.

Мы не только обнаружили, что ускорение происходит, но и представили убедительные доказательства того, что причиной этого является тёмная энергия. Мы заметили, что тёмная энергия замедляла рост массовых сверхскоплений галактик.

Темпы роста таких суперкластеров, как Дева, представляют убедительные доказательства в пользу существования тёмной энергии. Andrew Z. Colvin/wikimedia, CC BY-SA 3.0

Поэтому мы предположили, что тёмная энергия является реальной. Если концепция тёмной энергии и отталкивающей силы гравитации кажется слишком странной, то единственная альтернатива — изменить теорию гравитации. В любом случае, нам нужна новая физика, чтобы объяснить это.

Будущее

Прежде чем перейти к очень отдалённому будущему, я упомяну другое важное исследование — GAMA. Мы обнаружили, что Вселенная замедляется, «умирает». Иными словами: пик эпохи формирования звёзд остался далеко позади нас, и Вселенная уже меркнет.

Ближайшее будущее можно предсказать с большой долей уверенности. Через пять миллиардов лет Солнце вступит в стадию красного гиганта. Удручающе, но ещё через два миллиарда лет оно поглотит Землю.

После этого относительная сила тёмной энергии и её изменение с течением времени становится важным. Чем сильнее и быстрее сила отталкивания тёмной энергии, тем больше вероятность того, что во Вселенной произойдёт большой взрыв.

Грубо говоря: большой взрыв — это то, что происходит, когда сила отталкивания тёмной энергии способна преодолеть гравитацию (и всё остальное).

Тела, гравитационно связанные (например, наше сверхскопление, наш Млечный Путь, наша солнечная система, и, в конечном итоге, мы сами), разорвутся, и всё, что останется, — это, вероятно, одинокие пятна вакуума.

Данные WiggleZ и других экспериментов не исключают большого взрыва, но относят его к исключительно далёкому будущему (если он вообще произойдёт).

Несколько более актуальной является возможность тепловой смерти Вселенной. Так как Вселенная продолжает расширяться, мы никогда больше не сможем наблюдать галактики за пределами нашей локальной группы.

Формирование звёзд прекратится примерно через 1-100 триллионов лет, так как газ, необходимый для этого, будет исчерпан. Будут какие-то звёзды вокруг, они будут существовать примерно 120 триллионов лет. Всё, что останется, это звёздные остатки: чёрные дыры, нейтронные звёзды и белые карлики.

Через 100 квинтильонов  (1020) лет большинство из этих объектов будет поглощено сверхмассивными чёрными дырами в центре галактик.

Таким образом, Вселенная будет темнее и тише. Что произойдёт дальше, зависит от того, как быстро будет убывать материя во Вселенной.

Считается, что протоны, которые составляют атомы вместе с нейтронами и электронами, спонтанно превращаются в субатомные частицы через достаточно долгое время.

Исчезновение обычной материи произойдёт через 10 в сороковой степени  лет. Останутся только чёрные дыры. И даже они испарятся примерно через 10 в сотой степени лет.

В этот момент Вселенная будет почти вакуумом. Частицы, которые останутся, такие как электроны и лёгкие частицы (фотоны), будут находиться на больших расстояниях друг от друга из-за расширения Вселенной и редко (если вообще) взаимодействовать. Это и есть истинная смерть Вселенной, названная тепловой смертью.

Идея пришла из второго закона термодинамики, который гласит, что энтропия — мера «беспорядка» или количество вариантов организации системы — всегда возрастает.

Любая система, в том числе Вселенная, в конечном итоге войдёт в состояние максимального расстройства — так же, как кусочек сахара всегда будет растворяться в чашке чая, но понадобится безумно много времени, чтобы он мог вернуться к упорядоченной структуре куба.

Когда вся энергия в космосе равномерно распространена, то больше нет тепла или свободной энергии на процессы, которые потребляют энергию, такие как жизнь.

Больцмановский мозг и новые большие взрывы

Всё вышеперечисленное кажется весьма мрачным, чтобы не сказать больше. Поэтому я закончу эту статью на очень спекулятивной, возможно, неправильной, полностью непроверяемой, но более позитивной ноте.

Подозрительно? Далёкое будущее Вселенной может быть диковинным. AK Rockefeller/Flickr, CC BY 2.0

По странным правилам квантовой механики, случайные вещи могут выскочить из вакуума.

И это не просто математическая особенность: наличие частиц внезапно приводит к существованию, а затем снова к исчезновению, что постоянно наблюдалось в физических экспериментах с частицами.

Тем не менее, нет никаких причин, чтобы так называемые «квантовые флуктуации» не могли привести к образованию целого атома.

Даже возникли слухи, что может возникнуть вселенский «мозг», названный мозгом Больцмана в этом контексте. Каковы временные рамки для появления  такой вещи? Ну, компьютер подсчитал — 101050 лет.

А новый большой взрыв? Это где-то через 10101056  лет.
Кевин Римблет — старший преподаватель в университете Hull.

Версия на английском<\p>

Источник: https://www.epochtimes.ru/sudba-vselennoj-teplovaya-smert-bolshoj-vzryv-ili-kosmicheskoe-soznanie-99000772/

Физические теории о конце Вселенной

Физические теории о конце Вселенной

Несмотря на гигантский запас накопленных знаний о Вселенной, ученые до сих пор в ней мало что понимают. Подобно человеку, желающему знать, сколько времени ему отпущено на Земле, наука не перестает интересоваться, когда и каким образом наступит конец света, конец Вселенной.

В настоящее время существует множество физических теорий о конце Вселенной. Мы решили представить лишь некоторые из них.  

Большинство астрофизиков сходятся на том, что наша Вселенная родилась в результате Большого Взрыва. До этого вся материя была сосредоточена в единой сингулярности, точки с бесконечной плотностью посреди великого Ничто. Что именно послужило причиной Большого Взрыва, наука ответить пока не в состоянии.

Большое Сжатие (или Большой Хлопок), как можно догадаться из названия, представляет  из себя полную противоположность Большому Взрыву. Согласно этой теории, разлетающаяся во все стороны материя, в конце концов, из-за сил гравитации должна замедлить свое движение, остановиться, а затем начать сжиматься.

Процесс сжатия будет продолжаться до тех пор, пока вся Вселенная – планеты, звезды, галактики, черные дыры, частицы – не соединятся вновь воедино в бесконечно плотную точку, и все вернется на круги своя. 

Читайте также:  Проект «радиоастрон» - все о космосе

У многих физиков, однако, эта теория вызывает скепсис, поскольку, как было установлено сравнительно недавно, Вселенная продолжает расширяться, причем постоянно ускоряясь, так что о замедлении материи пока не может идти и речи.

Теория тепловой смерти – полная противоположность Большому Сжатию. Согласно ей, сил притяжения недостаточно, чтобы остановить разлет материи, поэтому Вселенная будет продолжать экспоненциально расширяться, расстояние между галактиками будет увеличиваться.

Согласно законам термодинамики, в любой замкнутой системе энтропия возрастает, тепло распределяется равномерно. Если экстраполировать этот принцип на Вселенную, можно прийти к выводу, что вся материя, в конце концов, должна равномерно распределиться в пространстве в виде холодного темного тумана из элементарных частиц.

Все звезды, в конечном итоге, погаснут, одна за другой, и энергии, чтобы зажечь новые, взять будет уже неоткуда. Все что останется от Вселенной – это материя в состоянии теплового равновесия из элементарных частиц, движущихся по случайным траекториям.

Уильям Томсон в 1852 году выдвинул гипотезу о ТСВ / ©Wikimedia Commons

Если и есть на свете что-то неизменное, так это, конечно, время. Есть ли Вселенная или нет ее, время будет продолжать идти вперед. А иначе, как различить одно мгновение от другого?

Но что произойдет, если время вдруг застынет? Одно мгновение перестанет отличаться от следующего. Останется лишь один единственный миг – отныне и навсегда. Предположим, что мы живем во Вселенной, чье существование длится бесконечно долго. Если это так, значит, все что может когда-нибудь произойти, рано или поздно произойдет со 100-процентной вероятностью.

Примерно то же самое случится, если кто-то из нас будет жить вечно. Все, что может произойти в его жизни, рано или поздно произойдет. Например, если можно стать пожизненным инвалидом, вечный человек рано или поздно им станет.

Поскольку такое противоречит многим вычислениям (например, касательно темной материи), ученым пришлось выдвинуть теорию, что само время не бесконечно, и рано или поздно, оно должно остановиться. Если такое вдруг произойдет, никто из нас этого не заметит.

Мир застынет в одном мгновении, и мы застынем вместе с ним, прекратятся наши мысленные процессы.

Остановившееся время будет «длиться» вечно, обеспечив каждому из нас псевдобесконечную жизнь, которую мы не сможем прожить, застыв в одном мгновении как мухи в янтаре.

Если попытаться просчитать вероятности в Мультивселенной (мир, состоящий из бесчисленного числа вселенных), мы наткнемся на ту же проблему, что и у Вселенной с бесконечно долгим временем существования: все что может произойти, рано или поздно произойдет.  

Чтобы обойти эту проблему, ученые решили рассчитать вероятности для Мультивселенной, имеющей определенные временные границы. Но такая модель может функционировать лишь в случае, если такие границы существуют на самом деле, и ничто не может распространяться за ее пределы.

А если это так, то согласно физическим законам, Вселенная в течение ближайших 3,7 миллиардов лет перешагнет временной барьер и прекратит свое существование. 

По одной из теорий Мультивселенной, вселенные могут постоянно порождаться, а затем вновь уничтожаться, причем по самым различным сценариям, включая Большое Сжатие, тепловую смерть и т. д.

Но это не имеет особого значения: наша Вселенная лишь один из бесчисленного количества миров. Уничтожение одного из них не означает конца света; постоянно будут рождаться свежие, причем, согласно расчетам, количество новых вселенных будет превышать число погибших, так что конца света не будет.

По крайней мере, в теории. 

Источник: https://naked-science.ru/article/nakedscience/a-few-theories-on-how-the-universe-will-end

Тепловая смерть Вселенной. Статья №37. 18.04.17

Пожалуй, нет ни одной другой области физики, способной конкурировать по степени загадочности и парадоксальности с термодинамикой. И дело здесь не столько в сложности её математического аппарата, сколько в глобальной претензии термодинамики на роль, не просто технической дисциплины, а некой всеобщей метафизической философии.

Представление о внутренней энергии тела, зависящей только от его температуры, породило эпоху тепловых двигателей и одновременно напророчило тепловую смерть вселенной, когда всё космическое вещество приобретает одну и ту же усреднённую температуру.

Стремление к неизбежному выравниванию температуры термодинамика объясняет самой природой тепла, которое является конечным итогом всякого природного движения.

Порывы ветра, течение рек, волнение морей, разряды молний и солнечный свет, проникающий на землю – всё эти проявления энергии земных стихий, с неизбежностью, завершают свой жизненный цикл в виде тепла.

Та же судьба у всех механизмов, созданных человеческой цивилизацией. Будь то автомобиль, корабль, самолёт, электростанция и даже компьютер и мобильный телефон – всё это, не более чем “нагревательные приборы”, превращающие полезную электрическую энергию в бесполезное низкопотенциальное тепло.

С точки зрения термодинамики, рассеянное тепло находится в окончательном равновесии, и у него нет будущего. Оно мертво, как болото, в плане порождения “живой” энергии.

Природа, таким образом, вовсе не движется по магическому кругу превращений, как считали древние, а неумолимо стремится к тепловому покою, чтобы уснуть в нём вечным сном.

При этом энергия мира не воспроизводит саму себя в бесконечном круговороте, а деградирует в субстанцию инертного тепла. Следовательно, мир движется от рождения к своей стагнации – этакая зловещая термодинамическая безысходность.

Как видим, термодинамика не только накладывает запрет на возможность возрождения рассеянной энергии, с помощью “энергетического рычага” – вечного двигателя второго рода, она вдобавок ещё и хоронит солнечную систему, галактику и всю вселенную, предрекая ей смерть в гробу с постоянной температурой.

В качестве количественной характеристики, отражающей степень деградации тепловой энергии, в термодинамике используется специальный параметр под названием энтропия. Популярность этого параметра оказалась настолько значительной, что он перешагнул не только границы самой термодинамики, но и границы физики.

Энтропию, как показатель деградации или меры беспорядка (хаоса), стали активно использовать в биологии, в информатике, в социологии и даже в философии.

Под холодящим душу лозунгом “энтропия мира неуклонно нарастает” дружно объединились почти все ветви современной науки.

А между тем, энтропия это, всего лишь, физическая характеристика энергетической ценности тепловой энергии и ничего более. Чем выше температура конкретной порции тепловой энергии, тем выше её энергетическая ценность, в плане преобразования в механическую энергию, и тем ниже её энтропия.

В то же время, исходя из теоремы Нернста (в трактовке Планка), при температуре абсолютного нуля по шкале Кельвина, энтропия физического тела устремляется в нуль.

Явный парадокс, впрочем, как и сама энтропия.

Энтропия – характеристика изначально негативная – параметр, обратный энергетической ценности порции тепла. В этом её деструктивность, если не сказать, порочность.

Трудно себе представить выбор физиками такого параметра состояния, который был бы противоположностью, например, скорости, или давления, или температуры.

А вот энтропия – параметрическая противоположность. Этакий критерий негативности.

По сути, ничто не мешало термодинамикам ввести в оборот, вместо негативной, позитивную характеристику состояния (анти–энтропию), отражающую степень энергетической ценности тепловой энергии. В этом случае содержательный смысл ценностной характеристики энергии был бы более понятен для инженеров, а его спекулятивные толкования за пределами термодинамики, скорее всего, были бы сведены к нулю.

Но, не стоит так уж сильно печалиться по поводу неудачно выбранного параметра состояния.

По правде говоря, термодинамическая страшилка под названием: “тепловая смерть вселенной” сильно смахивает на страшного-престрашного “тараканища” из детской сказки.

Почему так ?

Да, потому что физическая картина мира неизмеримо шире тех ограничений, которые были провозглашены термодинамиками в качестве фундаментальных законов, на основании весьма ограниченного объёма исследований тепловых машин.

Реальные процессы, происходящие в земной атмосфере, опровергают тезис о неизбежном выравнивании температуры.

Известно, что температура атмосферного воздуха убывает с каждым километром высоты примерно на шесть с половиной градусов. Данный перепад температуры достигает ста градусов. Его происхождение вызвано влиянием гравитационного поля земли.

Вопреки предсказаниям термодинамиков, температура земной атмосферы, почему-то, не желает выравниваться. Мало того, несмотря на постоянный перенос тепла от нижних слоёв воздуха к верхним за счёт теплопроводности и конвективного перемешивания, температурный градиент атмосферы постоянно восстанавливается.

А это значит, что в природе возможны процессы расслоения тепловой энергии по температуре без явных затрат внешней энергии.

Но, может быть, работу расслоения совершает гравитация ?

Нет, это невозможно, поскольку масса каждого из слоёв атмосферного воздуха остаётся неизменной. При отсутствии перемещения массы, работа перемещения равна нулю.

Другой пример термодинамической аномалии обнаруживается в промышленных циклонах, очищающих воздух от пыли. Вихревая струя воздуха на выходе из циклона, на некоторых режимах, становится заметно холоднее, чем на входе. И это, несмотря на трение воздуха о стенки циклона, которое должно, по логике, приводить к небольшому подогреву потока.

С точки зрения термодинамики, такого просто не должно быть, ведь газовая струя не может охлаждаться сама собой, без отдачи тепла внешнему телу.

Да, конечно, существуют вихревые газовые холодильники, действующие на эффекте Ранка, но там имеет место расслоение газа на холодный и тёплый. В циклоне же, охлаждается весь массив воздуха.

То есть, кинетическая энергия газового потока преобразуется не в тепло, а в холод. Тем самым создаётся возможность изменения температуры изолированной системы.

Как видим, даже в простых газовых процессах обнаруживаются аномалии, ставящие под сомнение термодинамическую гипотезу о неизбежности тепловой смерти. Но тогда и трактовка основополагающих канонов термодинамики невольно подпадает под сомнение.

Вот об этих канонах мы и поговорим в следующей статье.

Игорь Юрьевич Куликов

Превратим наш потенциал в патент на ваше изобретение. Телефон: +7 (495) 737-63-77 доб. 6800

Нина Николаевна Андреева

  Игорь Юрьевич Куликов. Видео – Николай Геннадьевич Соков.

Источник: http://innotec.ru/articles/chudesa-vokrug-nas/769-teplovaya-smert-vselennoy-statya-37-18-04-17

Ссылка на основную публикацию