Войти
тепловая смерть вселенной, также известная как Big Chill или Big Freeze, это гипотеза о окончательной судьбе вселенной, которая предполагает Вселенная эволюционировала бы до состояния без термодинамической свободной энергии и, следовательно, не могла бы поддерживать процессы, которые увеличивают энтропию. Тепловая смерть не предполагает какой-либо конкретной абсолютной температуры ; требуется только, чтобы перепады температур или другие процессы больше не использовались для выполнения работы. На языке физики это когда Вселенная достигает термодинамического равновесия (максимальной энтропии).
Если топология Вселенной открытая или плоская, или если темная энергия является положительной космологической постоянной (оба из них согласуются с текущими данными), Вселенная будет продолжать расширяться вечно, и ожидается, что произойдет тепловая смерть, когда Вселенная остынет и приблизится к равновесию при очень низкой температуре через очень долгий период времени.
Гипотеза тепловой смерти проистекает из идей лорда Кельвина, который в 1850-х годах принял теорию тепла как потерю механической энергии. в природе (как воплощено в первых двух законах термодинамики ) и экстраполировал его на более крупные процессы в универсальном масштабе.
Концепция тепловой смерти Вселенной основана на наблюдении, что гравитационная потенциальная энергия Вселенной, также известная как покой Масса, которая хранится в основном в барионах, самогравитационно сжимается и нагревается до все более высоких температур. Следовательно, все меньшие и все более горячие барионы «испаряются» с экспоненциальным ускорением в кажущееся расширяющееся окружающее пространство в виде фотонов, так что в конечном итоге Вселенная будет состоять из фотонов нулевой частоты:
Если масса покоя уменьшается на Δm 0, создается кинетическая энергия E = cΔm 0. То же самое верно, если мы заменим производство кинетической энергии E на производство лучистой энергии E. Продолжая эту линию аргументов, можно представить себе возможность того, что вся масса покоя m тела может быть преобразована в энергию. Тогда будет произведена энергия E = m 0 c, и вся масса покоя тела исчезнет.
— Международная энциклопедия объединенной науки Vol. 1, №№ 6–10, University of Chicago Press, 1955, p. 460Хотя механическая энергия неразрушима, существует универсальная тенденция к ее рассеянию, которая вызывает по всей системе постепенное увеличение и распространение тепла, прекращение движения и истощение потенциальной энергии материальной Вселенной .
— Томсон, Уильям. О возрасте солнечного тепла Macmillan's Magazine, 5 марта 1862 г., стр. 388–93Экспоненциальное ускорение испарения барионов было описано Артуром Эддингтоном :
Все изменения относительны. Вселенная расширяется относительно наших общих материальных стандартов; наши материальные стандарты сужаются по сравнению с размером Вселенной. Теорию «расширяющейся вселенной» можно было бы также назвать теорией «сжимающегося атома». <...>
Давайте тогда возьмем всю вселенную как наш эталон постоянства и примем точку зрения на космическое существо, тело которого состоит из межгалактических пространств и раздувается по мере их увеличения. Или, скорее, мы должны теперь сказать, что он остается того же размера, потому что он не признает, что это он изменился. Наблюдая за нами в течение нескольких миллиардов лет, он видит, как мы уменьшаемся; атомы, животные, планеты и даже галактики - все уменьшаются одинаково; только межгалактические пространства остаются прежними. Земля вращается вокруг Солнца по постоянно убывающей орбите. Было бы абсурдно рассматривать его изменяющуюся революцию как постоянную единицу времени. Космическое существо естественным образом соотносит свои единицы длины и времени так, чтобы скорость света оставалась постоянной. Тогда наши годы будут уменьшаться в геометрической прогрессии в космической шкале времени. В этом масштабе жизнь человека становится короче; его шестьдесят лет и десять - это постоянно уменьшающееся пособие. Благодаря свойству геометрической прогрессии бесконечное число наших лет в сумме дойдет до конечного космического времени; так что то, что мы должны назвать концом вечности, является обычной конечной датой в космическом календаре. Но в этот день вселенная расширилась до бесконечности в наших расчетах, а мы сузились до нуля в расчетах космического существа.
Мы идем по сцене жизни, исполнители драмы на благо космического зрителя. По мере того, как сцена продолжается, он замечает, что актеры становятся меньше, а действие ускоряется. Когда открывается последний акт, поднимается занавес перед актерами-карликами, несущимися через свои роли с бешеной скоростью. Все меньше и меньше. Быстрее и быстрее. Последнее микроскопическое пятно сильного волнения. А потом ничего.
— Эддингтон, Артур. Расширяющаяся Вселенная CUP, 1933, стр. 90–92После испарения всех барионов образовавшаяся ванна из фотонов нулевой частоты, неотличимых от пустого пространства, будет конденсироваться в новые протоны, каждая миля в поперечнике, которые претерпят еще 13,8 миллиарда лет, экспоненциально ускоряющееся сжатие и испарение. И так до бесконечности:
Согласно общепринятому мнению, темная энергия приведет Вселенную к вечному ускоряющемуся расширению. Каждая крупица материи в конечном итоге потеряет связь со всеми остальными частями. «Мне все это казалось невероятно скучным», - говорит Пенроуз. Затем он обнаружил в ней кое-что интересное: в самом конце Вселенной единственные оставшиеся частицы будут безмассовыми. Это означает, что все, что существует, будет двигаться со скоростью света, что сделает течение времени бессмысленным. После нескольких математических манипуляций с бесконечностью выскочила бесконечная вселенная, в которой новые большие взрывы - неизбежный результат вселенной. кончина. Согласно теории Пенроуза, один космос ведет к другому. «Раньше я называл это безумной схемой, но теперь я начинаю в это верить», - говорит он.
— Брукс, Майкл. Роджер Пенроуз: безостановочный космос, безостановочная карьера New Scientist, 10 марта 2010 г.Идея тепловой смерти проистекает из второго закона термодинамики, одна из версий которой утверждает, что энтропия имеет тенденцию к увеличению в изолированной системе. Исходя из этого, гипотеза подразумевает, что если Вселенная существует в течение достаточного времени, она асимптотически приближается 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 прекратится, поскольку работа преобразуется в тепло из-за второго закона.
Гипотеза о том, что все тела во Вселенной остывают, в конечном итоге становясь слишком холодными, чтобы поддерживать жизнь, кажется, была впервые 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 имеют внутреннее тепло и сейчас находятся на определенной стадии охлаждения. Юпитер, например, все еще слишком горячий, чтобы жизнь могла возникнуть там тысячи лет, а Луна уже слишком холодна. Конечное состояние, с этой точки зрения, описывается как состояние "равновесия", в котором все движение прекращается.
Однако идея тепловой смерти как следствия законов термодинамики была впервые предложена в общих чертах. начиная с 1851 года лордом Кельвином (Уильям Томсон), который теоретизировал дальше взгляды Сади Карно (1824), Джеймса Джоуля (1843) и Рудольфа Клаузиуса на механическую потерю энергии. (1850 г.). Затем взгляды Томсона были развиты в течение следующего десятилетия Германом фон Гельмгольцем и Уильямом Рэнкином.
Идея тепловой смерти Вселенной возникла из обсуждения применения теории первые два закона термодинамики универсальным процессам. В частности, в 1851 году лорд Кельвин изложил точку зрения, основанную на недавних экспериментах по динамической теории тепла : «тепло - это не вещество, а динамическая форма механического воздействия, мы считаем, что должно быть эквивалентность между механической работой и теплом, как между причиной и следствием ».
Лорд Кельвин в 1852 г. выдвинул идею всеобщей тепловой смерти. В 1852 г. Томсон опубликовал« Об универсальной тенденции в природе к распаду ». механической энергии, в которой он очертил основы второго закона термодинамики, резюмированные представлением о том, что механическое движение и энергия, используемая для создания этого движения, естественно имеют тенденцию рассеиваться или истощаться. Идеи, изложенные в этой статье, в связи с их применением к возрасту Солнца и динамике универсального действия привлекли таких людей, как Уильям Ренкин и Герман фон Гельмгольц. Сообщается, что трое из них обменялись мнениями по этому поводу. В 1862 году Томсон опубликовал статью «О возрасте солнечного тепла», в которой он повторил свои фундаментальные убеждения в нерушимости энергии (первый закон ) и всеобщем рассеянии энергии (второй закон), что приводит к диффузии тепла, прекращению полезного движения (работа ) и истощению потенциальной энергии через материальную вселенную, поясняя при этом его взгляд на последствия для Вселенной как все. Томсон писал:
Результатом неизбежно было бы состояние всеобщего покоя и смерти, если бы Вселенная была конечной и подчинялась существующим законам. Но невозможно вообразить предел размера материи во вселенной; и поэтому наука указывает скорее на бесконечное продвижение через бесконечное пространство действия, включающего преобразование потенциальной энергии в осязаемое движение и, следовательно, в тепло, чем к единому конечному механизму, бегущему, как часы, и останавливающемуся навсегда.
В годы, последовавшие за работами Томсона 1852 и 1862 годов, Гельмгольц и Рэнкин оба приписывали идею Томсону, но продолжали читать его статьи публикация мнений, в которых утверждается, что Томсон утверждал, что вселенная закончится «тепловой смертью» (Гельмгольц), которая станет «концом всех физических явлений» (Рэнкин).
Предложения о конечном состоянии Вселенной зависят от предположений о ее конечной судьбе, и эти предположения значительно варьировались в конце 20-го и начале 21-го века. В гипотетической «открытой» или «плоской» вселенной, которая продолжает бесконечно расширяться, в конечном итоге ожидается либо тепловая смерть, либо Большой разрыв. Если космологическая постоянная равна нулю, Вселенная приблизится к температуре абсолютного нуля в течение очень долгого времени. Однако, если космологическая постоянная положительна, как это, по-видимому, имеет место в недавних наблюдениях, температура будет асимптотической до ненулевого положительного значения, и Вселенная приблизится к состоянию максимальной энтропии., в котором дальнейшая работа невозможна.
Если Большой разрыв не произойдет задолго до этого и протоны, электроны, и нейтроны, связанные с ядром атома, стабильны и никогда не распадаются, ситуации полной "тепловой смерти" можно избежать, если существует метод или механизм регенерации водорода атомы из излучения, темной материи, темной энергии, энергии нулевой точки или других источников, таких как получение вещества и энергии из черные дыры или вызывая взрыв черных дыр с высвобождением содержащейся в них массы, что может привести к образованию новых звезд и планет. Если это так, то по крайней мере возможно, что звездообразование и теплопередача могут продолжаться, избегая постепенного истощения Вселенной из-за преобразования материи в энергию и более тяжелые элементы в звездные процессы, поглощение вещества черными дырами и их последующее испарение как излучение Хокинга.
Из Большой взрыв и до наших дней, материя и темная материя во Вселенной, как полагают, были сконцентрированы в звездах, галактиках и скопления галактик, и предполагается, что они продолжат хорошо себя чувствовать в будущем. Следовательно, Вселенная не находится в термодинамическом равновесии, и объекты могут выполнять физическую работу. Время распада сверхмассивной черной дыры с массой примерно 1 галактика (10 массой ) из-за излучения Хокинга составляет порядка 10 лет, поэтому энтропия могут быть произведены по крайней мере до этого времени. Согласно прогнозам, некоторые большие черные дыры во Вселенной продолжат расти, возможно, до 10 M☉во время коллапса сверхскоплений галактик. Даже они испарились бы за период до 10 лет. По прошествии этого времени Вселенная вступает в так называемую темную эру и, как ожидается, будет состоять в основном из разбавленного газа фотонов и лептонов. Поскольку останется только очень диффузное вещество, активность во Вселенной резко снизится, с чрезвычайно низкими уровнями энергии и чрезвычайно долгими временными рамками. Предположительно, возможно, что Вселенная может войти во вторую инфляционную эпоху, или если предположить, что текущее состояние вакуума является ложным вакуумом, вакуум может распадаться на состояние с более низкой энергией . Также возможно, что производство энтропии прекратится, и Вселенная достигнет тепловой смерти. Другая вселенная могла быть создана случайными квантовыми флуктуациями или квантовым туннелированием примерно в 
Макс Планк писал, что фраза «энтропия Вселенной» не имеет значения, поскольку не допускает точного определения. Совсем недавно он пишет: «Довольно самонадеянно говорить об энтропии Вселенной, о которой мы все еще так мало разбираемся, и мы задаемся вопросом, как можно определить термодинамическую энтропию для Вселенной и ее основных составляющих, которые никогда не были в равновесии в своем все существование ". Согласно Тисе : «Если изолированная система не находится в равновесии, мы не можем связать с ней энтропию». Бухдал пишет о «совершенно неоправданном предположении, что Вселенная может рассматриваться как замкнутая термодинамическая система ». Согласно Галлавотти : «... не существует общепринятого понятия энтропии для систем, не находящихся в равновесии, даже когда они находятся в стационарном состоянии». Обсуждая в целом вопрос об энтропии для неравновесных состояний, Либ и Ингвасон выражают свое мнение следующим образом: «Несмотря на то, что большинство физиков верят в такую неравновесную энтропию, она имеет до сих пор оказалось невозможным дать ему однозначно удовлетворительное определение ". По мнению Ландсберга: «Третье заблуждение состоит в том, что термодинамика, и в частности концепция энтропии, без дальнейших исследований может быть применена ко всей вселенной... Эти вопросы вызывают определенное увлечение, но ответы - это предположения и ложь. выходит за рамки этой книги ».
Анализ состояний энтропии 2010 года:« Энтропия общего гравитационного поля все еще не известна », и« гравитационная энтропия трудно измерить количественно ». Анализ рассматривает несколько возможных предположений, которые потребуются для оценок, и предполагает, что наблюдаемая вселенная имеет большую энтропию, чем считалось ранее. Это связано с тем, что в результате анализа делается вывод о том, что сверхмассивные черные дыры вносят наибольший вклад. Ли Смолин идет дальше: «Давно известно, что гравитация важна для удержания Вселенной от теплового равновесия. Гравитационно связанные системы имеют отрицательное значение. удельная теплоемкость, то есть скорости их компонентов увеличиваются, когда энергия удаляется... Такая система не эволюционирует в направлении гомогенного равновесного состояния. Вместо этого она становится все более структурированной и неоднородной, поскольку она фрагментируется на подсистемы ». Эта точка зрения также подтверждается фактом недавнего экспериментального открытия устойчивого неравновесного стационарного состояния в относительно простой замкнутой системе. Следует ожидать, что изолированная система, фрагментированная на подсистемы, не обязательно приходит в термодинамическое равновесие и остается в неравновесном стационарном состоянии. Энтропия будет передаваться от одной подсистемы к другой, но ее производство будет равно нулю, что не противоречит второму закону термодинамики.
