Зміст
Введення
1. Космологічний парадокс Клаузіуса
1.1 Біографічна довідка
1.2 Гіпотеза «теплової смерті» Всесвіту
2. Спростування гіпотези «теплової смерті» Всесвіту
Висновок
Список використаної літератури
Введення
Термодинамічний парадокс в космології, сформульований у другій половині ХІХ століття, безперервно розбурхує з тих пір наукове співтовариство. Справа в тому, що він торкнувся найбільш глибинні структури наукової картини світу. Хоча численні спроби вирішення цього парадокса приводили завжди лише до приватних успіхам, вони породжували нові, нетривіальні фізичні ідеї, моделі, теорії. Термодинамічний парадокс виступає невичерпним джерелом нових наукових знань. Космологічні парадокси залишалися невирішеними до двадцятих років нашого століття, коли на зміну класичній космології прийшла теорія кінцевої і розширення Всесвіту.
Термодинамічний парадокс виник вперше в картині світу Ньютона - як гострий конфлікт між самою цією картиною світу та її філософсько-світоглядними підставами, з одного боку, та висновками випливають з екстраполяції на Всесвіт принципу зростання ентропії - з іншого. Цей парадокс був сформульований Р. Клаузіусом і В. Томсоном.
За словами Клаузіуса «... загальний стан Всесвіту має все більше і все більше змінюватися» у напрямку, визначеному принципом зростання ентропії і, отже, цей стан має безперервно наближатися до деякого граничного стану ». Звідси випливають, на думку Клаузіуса, наступні формулювання принципів термодинаміки:
Енергія світу постійна.
Ентропія світу прагне до максимуму. Тим самим неявно вводяться наступні абстракції: в рамках термодинаміки можна вживати поняття стану світу як цілісної системи; світ як ціле - замкнута система; еволюція світу може бути описана як зміна його станів; для світу як цілого стан з максимальною ентропією має сенс, також як і для будь-якої кінцевої системи.
Мета даної роботи: спробувати з'ясувати, що являє собою гіпотеза «теплової смерті» Всесвіту, сформована Клаузіусом.
Структура роботи: робота складається зі вступу, 2 розділів, висновків і бібліографічного списку. Загальний обсяг роботи 13 сторінок.
1. Космологічний парадокс Клаузіуса
1.1 Біографічна довідка
Клаузіус Рудольф Юліус Емануель, німецький фізик, один із засновників термодинаміки і молекулярно-кінетичної теорії теплоти. Навчався в Берлінському університеті (з 1840). У 1850-57 викладав у Берліні та Цюріху. Професор університетів у Цюріху (з 1857), Вюрцбурзі (з 1867), Бонні (з 1869). Іноземний член-кореспондент Петербурзької АН.
Клаузиусу належать основоположні роботи в галузі молекулярно-кінетичної теорії теплоти. Роботи Клаузіус сприяли введенню статистичних методів у фізику. Клаузіус вдалося з єдиної точки зору пояснити такі зовні абсолютно різні явища в газах, як внутрішнє тертя, теплопровідність і дифузія. Він ввів поняття ідеального газу, а також поняття довжини вільного пробігу молекул, вперше обчисливши цю довжину. Довів теорему Віріа, що зв'язує середню кінетичну енергію системи частинок з діючими в ній силами. Побудував кінетичну теорію переходу речовини з одного агрегатного стану в інший і в 1850 обгрунтував рівняння, що зв'язує зміна температури плавлення зі зміною тиску (Клапейрона - Клаузіуса рівняння).
Клаузіус вніс важливий внесок у теорію електролізу. Теоретично обгрунтував закон Джоуля - Ленца, розвинув термодинамічну теорію термоелектрики і ін Розвиваючи ідеї італійського вченого О. Ф. Моссотті, Клаузіус розробив теорію поляризації діелектриків, на основі якої встановив співвідношення між діелектричною проникністю та поляризуємістю (Клаузіуса - Моссотті формула).
Клаузіус першим зрозумів і проаналізував глибокі ідеї С. Карно і оцінив їх значення для теорії теплоти і теплових машин. Розвиваючи ці ідеї, Клаузіус в 1850 (одночасно з У. Томсоном) дав перше формулювання другого початку термодинаміки: «Теплота не може сама собою перейти від більш холодного тіла до більш теплого». Клаузіус довів, що не існує способу передачі теплоти від більш холодного тіла до більш нагрітого без того, щоб у природі не сталося яких-небудь змін, які могли б компенсувати такий перехід.
У 1865 Клаузіус ввів поняття ентропії - (від грец. Entropia - поворот, перетворення), функція стану термодинамічної системи, зміна якої в рівноважному процесі дорівнює відношенню кількості теплоти, повідомленого системі або відведеного від неї, до термодинамічної температури системи. Нерівноважні процеси в ізольованій системі супроводжуються зростанням ентропії, вони наближають систему до стану рівноваги, в якому максимальна. Поняттям ентропії широко користуються у фізиці, хімії, біології та теорії інформації.
Клаузіус сформулював перший і другий закони термодинаміки наступним чином: "Енергія світу постійна, ентропія світу прагне до максимуму". Відповідно до гіпотези Клаузіуса зростання ентропії, супроводжуване зменшенням вільної енергії, приведе до стану з максимальною ентропією, коли припиняться всі фізичні і хімічні процеси.
На початковій стадії становлення термодинаміки Клаузіус переоцінив її можливості. По-перше, ця гіпотеза побудована на недоведеність гіпотези про кінцівки Всесвіту. По-друге, висновок отриманий для малих проміжків часу, в порівнянні з космічними періодами часу. По-третє, нарешті, другий закон термодинаміки, що описує зростання ентропії в ізольованих системах, не виконується для систем з обмеженим (малим) кількістю частинок.
Таким чином, область застосування другого закону термодинаміки обмежена знизу - системами з малою кількістю частинок і зверху - системами з будь-якою кількістю частинок, які спостерігаються протягом великого проміжку часу. У результаті уточнену формулювання другого закону термодинаміки можна представити таким чином: ентропія ізольованої системи, що спостерігається в продовженні невеликих з космічної точки зору проміжків часу, прагне до відносного максимуму
Сформулював Закон зростання ентропії, який можна виразити таким чином: «... в адіабатично ізольованої термодинамічної системи ентропія не може зменшуватися: вона або зберігається, якщо в системі відбуваються тільки оборотні процеси, або зростає, якщо в системі протікає хоча б один необоротний процес». З законом зростання ентропії безпосередньо пов'язаний парадокс, сформульований Клаузіусом, спільно з Томсоном і названий гіпотезою «теплової смерті» Всесвіту.
1.2 Гіпотеза «теплової смерті» Всесвіту
Світ повний енергії, яка підпорядковується найважливішому закону природи - закону збереження енергії. При всіх своїх перетвореннях з одного виду в інший енергія не зникає і не виникає з нічого. Загальна кількість енергії залишається постійним. Здавалося б, з цього закону неминуче випливає вічний кругообіг матерії у Всесвіті. У самому справі, якщо в Природі при всіх змінах матерії вона не зникає і не виникає з нічого, а лише переходить з однієї форми існування в іншу, то Всесвіт вічна, і матерія, її складова, перебуває у вічному кругообігу. Таким чином, згаслі зірки знову перетворюються на джерело світла і тепла. Ніхто, звичайно, не знав, як це відбувається, але переконання в тому, що Всесвіт у цілому завжди одна і та ж, було в минулому столітті майже загальним.
Тим несподіванішою прозвучав висновок з другого закону термодинаміки. При всіх перетвореннях різні види енергії в кінцевому рахунку переходять в тепло, яке, будучи надано собі, прагне до стану термодинамічної рівноваги, тобто розсіюється в просторі. Так як такий процес розсіювання тепла незворотній, то рано чи пізно всі зірки згаснуть, всі активні процеси в Природі припиняться і Всесвіт перетвориться в похмуре замерзле кладовищі. Настане «теплова смерть Всесвіту».
Докладний аналіз цієї гіпотези був виконаний Клаузіусом, і він вважав правомірним поширення на весь Всесвіт закону зростання ентропії. Дійсно, якщо розглянути Всесвіт як адіабатично ізольовану термодинамічну систему, то, враховуючи її нескінченний вік, на підставі закону зростання ентропії можна зробити висновок про досягнення нею максимуму ентропії, тобто стану термодинамічної рівноваги. Але в реально навколишньої Всесвіту цього не спостерігається.
Отже, незворотність реальних теплових процесів у природі зумовлена прагненням термодинамічних систем до рівноваги, що супроводжується руйнуванням порядку і переходом до більш імовірному невпорядкованому стану. І відповідно до статистичної формулюванням другого початку термодинаміки «стріла часу» спрямована в бік збільшення ентропії системи. Це фундаментальне положення рівноважної термодинаміки було покладено в основу однієї досить популярної у свій час космологічної гіпотези. Так, застосувавши другий початок термодинаміки до всього Всесвіту як до цілого, він прийшов до висновку, що кінцевим станом Всесвіту має стати стан теплової рівноваги, коли матерія виявиться рівномірно розподіленим по всьому простору.
Така концепція отримала назву «теплової смерті» Всесвіту. Відповідно до цієї концепції нинішній стан Всесвіту - це гігантська флуктуація з рівноважного стану, яка в даний час «розсмоктується», експоненціально наближаючись до рівноважного стану. Надалі можливе повторення флуктуаційного сплеску, що супроводжується мимовільним упорядкуванням матерії, після чого знову почнеться релаксаційний процес, і так буде повторюватися до нескінченості.
Приголомшливе враження, вироблене на натуралістів минулого століття другим початком термодинаміки, було особливо сильно ще й тому, що навколо себе, в навколишньому нас Природі вони не бачили фактів, його спростовують. Навпаки, все, здавалося, підтверджувало похмурі прогнози Клаузіуса. Звичайно, є в Природі й антіентропійний процеси, при яких безлад, а значить, і ентропія зменшуються. Такі процеси, що відбуваються в органічному світі, в людській діяльності. Але при більш глибокому розгляді ситуації завжди виявляється, що зменшення безладу в одному місці неминуче супроводжується його збільшенням в іншому. Більше того, який виник з вини людини безлад значно перевищує той порядок, який він вніс до Природу, так що, в кінцевому рахунку, ентропія і тут продовжує зростати.
2. Спростування гіпотези «теплової смерті» Всесвіту
У постнекласичній науці були сформульовані принципово нові підходи до аналізу принципу Клаузіуса та усунення термодинамічної парадоксу в космології. Найбільш значні перспективи, яких можна очікувати від космологічної екстраполяції теорії самоорганізації, розвиненої на основі ідей російського космізму. Необоротні процеси в різко нерівноважних, нелінійних системах дозволяють, мабуть, уникнути теплової смерті Всесвіту, оскільки вона виявляється відкритою системою.
Ми бачимо таким чином, що принцип Клаузіуса до цих пір є майже невичерпним джерелом нових ідей у комплексі фізичних наук. Тим не менш, незважаючи на появу все нових моделей і схем, у яких теплова смерть відсутній, ніякого «остаточного» дозволу термодинамічної парадоксу до цих пір не досягнуто. Всі спроби розрубати «гордіїв вузол» проблем, пов'язаних з принципом Клаузіуса, незмінно приводили лише до часткових, аж ніяк не строгим і не остаточних висновків, як правило, досить абстрактним. Містилися в них неясності породжували все нові проблеми і поки немає особливої надії, що успіху вдасться досягти в доступному для огляду майбутньому.
Взагалі кажучи, це - цілком звичайний механізм розвитку наукового пізнання, тим більше що мова йде про одну з найбільш фундаментальних проблем.
Встати на позицію Клаузіуса - це означає визнати, що Всесвіт мала колись початок і неминуче буде мати кінець. Дійсно, якщо б у минулому Всесвіт існував вічно, то в ній давно настав би стан теплової смерті, а так як цього немає, то, на переконання Клаузіуса і багатьох інших його сучасників, Всесвіт була створена порівняно недавно. А в майбутньому, якщо не трапиться якесь диво, Всесвіт чекає теплова смерть.
На спростування другого початку термодинаміки були кинуті сили всіх матеріалістично мислячих учених. Знайти помилку в міркуваннях Клаузіуса довго не вдавалося. І першим, хто вирішив питання про «теплової смерті», став Л. Больцман, який показав, що і в стані термодинамічної рівноваги спостерігаються флуктуації термодинамічних параметрів. Якщо вважати, що спостережувана Всесвіт є наслідком такої флуктуації, то протистояння парадоксу теплової смерті Всесвіту знімаються.
По-перше, навряд чи припущення про замкнутість (ізольованості) Всесвіту можна вважати переконливо доведеним фактом. По-друге, статистична інтерпретація другого початку термодинаміки розроблена для молекул (точніше, для матеріальних точок), Всесвіт ж являє собою інші об'єкти - планети, зірки, галактики і т. п., і абсолютно не обгрунтований перенесення з закономірностей одного «світу» на інший. По-третє, другий початок термодинаміки, строго кажучи, відноситься до систем, що знаходяться поблизу стану теплової рівноваги.
Зроблені Клаузіусом висновки, строго кажучи, суперечать і першого початку термодинаміки, що стверджує незнищенність руху, причому не тільки кількісно, але і якісно. За його гіпотезою, зростання ентропії відбувається тому, що стан безладу завжди більш імовірно, ніж стан порядку. Але це не означає, що процеси протилежного характеру, тобто самовільні зі зменшенням ентропії, абсолютно неможливі. Вони в принципі можливі, хоча і вкрай маловірогідні.
Усюди ми спостерігаємо, як тепло від більш гарячого тіла переходить до більш холодного. Однак у принципі можливе й інше: шматок льоду, кинутий у піч, збільшить її жар. Не виключено і така подія, що всі молекули повітря в нашій кімнаті зберуться раптом в одному кутку, а ви загинете від задухи в іншому. Нарешті, можливо, що мавпа, посаджена за друкарську машинку, випадково вистучіт пальцем сонет Шекспіра. Всі ці події можливі, але вірогідність їх близька до нуля. Така ж, за Больцманом, ймовірність існування нас з вами.
Больцман не сумнівався, що Всесвіт нескінченний у просторі і часі. В основному і майже завжди вона перебуває в стані теплової смерті. Проте іноді в деяких її районах виникають вкрай малоймовірні відхилення (флуктуації) від звичайного стану Всесвіту. До однієї з них належить Земля і весь видимий нами космос. У цілому ж Всесвіт - неживий мертвий океан з деякою кількістю острівців життя.
Висновок
Ось вже майже півтора століття наукове співтовариство займає питання: чому - всупереч принципу Клаузіуса - всюди у Всесвіті ми спостерігаємо не процеси монотонної деградації, а навпаки, процеси становлення, виникнення нових структур.
У чому ж полягає епістемологична природа розглянутого парадоксу? Вихідним було виникнення термодинамічної парадоксу на рівні наукової картини світу (НКМ), на якому Клаузіус і здійснював свою екстраполяцію зростання принципу ентропії на Всесвіт. Парадокс виступав як протиріччя між висновком Клаузіуса і принципом нескінченності світу в часі. Справді, «теплова смерть» Всесвіту, навіть якщо б вона сталася в якомусь віддаленому майбутньому, нехай навіть через мільярди або десятки мільярдів років, все одно обмежує «шкалу часу» людського прогресу. Ось чому висловлювання про, здавалося б, суто наукової екстраполяції Клаузіуса, яку і обговорювати треба в строго наукових рамках, набували характеру безпрецедентних філософсько-світоглядних дискусій з приводу фізичних принципів.
Можна виділити, принаймні, п'ять моментів, які характеризують евристичну роль термодинамічної парадоксу в науці, який виступає невичерпним джерелом нових концептуальних досягнень:
Принцип зростання ентропії (у формі термодинамічної парадоксу) із самої своєї появи не тільки не вписувався в карту світу Ньютона, але і вступив з нею в непримиренне протиріччя, сприяв її «руйнування». Цей принцип перекреслив класичний образ світу як годинникового механізму, рух якого повністю детерміновано початковими умовами та законами, відкинув ідею механічного кругообігу в природі. Так і не спростована принцип Клаузіуса свідчив: природа набагато глибше, ніж склалося до того часу і канонізовані культурою «загальноприйняті» уявлення про неї.
Відторгнуті ньютонівської картиною світу, цей принцип став наріжним каменем некласичних поглядів на природу.
Клаузіус, вперше після Ньютона, повернувся до проблематики світу як цілого, вперше сформулював проблему його еволюції не на філософсько-світоглядному рівні, як це було до нього, а мовою НКМ. Клаузіус вперше поставив питання про зв'язок між еволюцією космічних тіл і систем і зміною стану Всесвіту як цілого.
Принцип Клаузіуса вперше ввів в науку розуміння еволюції як незворотної зміни стану фізичних об'єктів - на противагу ідеї механічного кругообігу в класичній картині світу.
Ще більш значущими з філософсько-світоглядної точки зору наслідками принципу Клаузіуса були конструкти «кінця», а значить, можливо, і «початку» світу.
І, нарешті, принцип Клаузіуса зіграв важливу евристичну роль у становленні - майже через століття - теорії самоорганізації: «... еволюційна ідея виникла в XIX ст. в двох прямо протилежних формах: у термодинаміці принцип Карно-Клаузіуса формулюється як закон безперервної деорганізаціі і руйнування наперед заданій структури. У біології, або соціології, ідея еволюції, навпаки, асоціюється з ускладненням організації ».
Протиріччя між розумінням еволюції живої та неживої природи, що виникло після появи принципу Клаузіуса і на рівні класичної НКМ і дозволяється відстоюванням різних варіантів принципам загальної оборотності фізичних процесів, знімається іншими концептуальними структурами - теорією самоорганізації.
Всесвіт як ціле дійсно підкоряється законам, «асиметричним по відношенню до минулого і майбутнього». Але відбувається це у відповідності з другим началом термодинаміки, а не в суперечності з ним.
Список використаної літератури