Тепловая смерть Вселенной

Тепловая смерть — это возможное конечное состояние Вселенной, в котором она «опустилась» до состояния отсутствия термодинамической свободной энергии для поддержания движения или жизни. С физической точки зрения, он достиг максимальной энтропии. Гипотеза всеобщей тепловой смерти восходит к идеям 1850-х годов Уильяма Томсона, 1-го барона Кельвина, который экстраполировал теорию тепловых представлений о механических потерях энергии в природе, воплощенную в первых двух законах термодинамики, на универсальное действие.

Истоки идеи

Идея тепловой смерти проистекает из второго закона термодинамики, который гласит, что энтропия имеет тенденцию к увеличению в изолированной системе. Если Вселенная существует достаточное время, она асимптотически приблизится к состоянию, в котором вся энергия распределена равномерно. Другими словами, в природе существует тенденция к диссипации (потере энергии) механической энергии (движения); следовательно, путем экстраполяции существует точка зрения, что механическое движение Вселенной будет замедляться во времени из-за второго закона. Идея тепловой смерти была впервые предложена в общих чертах, начиная с 1851 года, Уильямом Томсоном, 1-м бароном Кельвином, который теоретизировал дальнейшее развитие взглядов Сади Карно (1824 г.), Джеймса Джоуля (1843 г.) и Рудольфа Клаузиуса (1850 г.) на потерю механической энергии. . Затем в течение следующего десятилетия взгляды Томсона были более подробно разработаны Германом фон Гельмгольцем и Уильямом Рэнкином.

Идея тепловой смерти Вселенной вытекает из обсуждения применения первых двух законов термодинамики к универсальным процессам. В частности, в 1851 году Уильям Томсон изложил точку зрения, основанную на недавних экспериментах по динамической теории тепла, что «тепло — это не субстанция, а динамическая форма механического воздействия, мы понимаем, что должна быть эквивалентность между механической работой и тепло, как между причиной и следствием». [1]
В 1852 году Томсон опубликовал свою работу «Об универсальной тенденции в природе к рассеянию механической энергии», в которой он изложил основы второго закона термодинамики, резюмированные точкой зрения, что механическое движение и энергия, используемая для создания этого движения, будут иметь тенденцию к рассеиваться или стекать, естественно.[2] Идеи, содержащиеся в этой статье, в отношении их применения к возрасту солнца и динамике универсальной операции привлекли внимание таких ученых, как Уильям Рэнкин и Герман фон Гельмгольц. Говорят, что все трое обменялись идеями по этому поводу.[3] В 1862 году Томсон опубликовал статью «О возрасте солнечного тепла», в которой он подтвердил свои фундаментальные убеждения в неразрушимости энергии (первый закон) и универсальном рассеивании энергии (второй закон), приводящем к диффузии тепла. , прекращение движения и исчерпание потенциальной энергии через материальную вселенную, проясняя его взгляд на последствия для вселенной в целом. Ключевой абзац: [4]
«Результатом неизбежно было бы состояние всеобщего покоя и смерти, если бы Вселенная была конечной и подчинялась существующим законам. Но невозможно представить себе предел количества материи во вселенной; и поэтому наука указывает скорее на бесконечный прогресс в бесконечном пространстве действия, включающего преобразование потенциальной энергии в осязаемое движение и, следовательно, в теплоту, чем на единый конечный механизм, идущий, как часы, и останавливающийся навеки. ”

В годы, последовавшие за статьями Томсона 1852 и 1865 годов, Гельмгольц и Ренкин оба приписывали идею Томсону, но читали дальше его статьи, публикуя взгляды, в которых говорилось, что Томсон утверждал, что Вселенная закончится «тепловой смертью» (Гельмгольц). который будет «концом всех физических явлений» (Рэнкин).[3][5]

Температура Вселенной (Тепловая смерть против холодной смерти)

При «тепловой смерти» температура всей Вселенной была бы очень близка к абсолютному нулю.Тепловая смерть, однако, не совсем то же самое, что «холодная смерть» или «большое замораживание», при котором Вселенная просто становится слишком холодной для поддержания жизни из-за продолжающегося расширения, хотя результат очень похож.

Инфляционная космология предполагает, что в ранней Вселенной, до космического расширения, энергия была распределена равномерно,[7] и, таким образом, Вселенная находилась в состоянии, внешне похожем на тепловую смерть. Однако на самом деле эти два состояния очень разные: в ранней Вселенной гравитация была очень важной силой, а в гравитационной системе, если энергия распределена равномерно, энтропия довольно низка по сравнению с состоянием, в котором коллапсировала большая часть материи. в черные дыры. Таким образом, такое состояние не находится в тепловом равновесии, и фактически для такой системы нет теплового равновесия, так как она термодинамически неустойчива.[8][9] Однако в сценарии тепловой смерти плотность энергии настолько мала, что систему можно рассматривать как негравитационную, так что состояние, в котором энергия равномерно распределена, является состоянием теплового равновесия, то есть состоянием максимальной энтропии.

Окончательное состояние Вселенной зависит от предположений о ее конечной судьбе, и эти предположения значительно менялись в конце 20-го и начале 21-го веков. В «закрытой» Вселенной, которая подвергается повторному коллапсу, ожидается тепловая смерть, когда Вселенная приближается к произвольно высокой температуре и максимальной энтропии по мере приближения конца коллапса. В «открытой» или «плоской» Вселенной, которая продолжает бесконечно расширяться, также ожидается тепловая смерть, когда Вселенная охлаждается до температуры, близкой к абсолютному нулю, и приближается к состоянию максимальной энтропии за очень длительный период времени.Существует спор о том, может ли расширяющаяся Вселенная приблизиться к максимальной энтропии; было высказано предположение, что в расширяющейся Вселенной значение максимальной энтропии увеличивается быстрее, чем вселенная набирает энтропию, заставляя Вселенную постепенно удаляться от тепловой смерти.

Сроки тепловой смерти

Основная статья: Будущее расширяющейся вселенной

С момента Большого взрыва до сегодняшнего дня и далеко в будущем материя и темная материя во Вселенной сосредоточены в звездах, галактиках и скоплениях галактик. Следовательно, Вселенная не находится в термодинамическом равновесии, и объекты могут совершать физическую работу.[11], §VID. Время распада сверхмассивной черной дыры примерно галактической массы (1011 солнечных масс) из-за излучения Хокинга составляет порядка 10100 лет [12], поэтому энтропия может производиться по крайней мере до этого времени. После этого Вселенная вступит в так называемую темную эру и, как ожидается, будет состоять в основном из разбавленного газа фотонов и лептонов.[11], §VIA. Поскольку останется только очень рассеянное вещество, активность во Вселенной резко сократится, с очень низкими уровнями энергии и очень большими временными масштабами. Спекулятивно возможно, что Вселенная может вступить во вторую инфляционную эпоху, или, предполагая, что текущее состояние вакуума является ложным вакуумом, вакуум может распасться в состояние с более низкой энергией.[11], §VE. Также возможно, что производство энтропии прекратится, и Вселенная достигнет тепловой смерти.[11], §VID.

* Будущее расширяющейся вселенной
* 1 E19 с и более
* Второй закон термодинамики
* Большой разрыв
* Большой хруст
* Большой отскок
* Большой взрыв
* Циклическая модель
* Вечный интеллект Дайсона
* Окончательный антропный принцип
* Конечная судьба Вселенной
* Графическая временная шкала от Большого взрыва до тепловой смерти
* Хронология Большого Взрыва
* «Последний вопрос», рассказ Айзека Азимова, в котором рассматривается неизбежное наступление тепловой смерти во Вселенной и способы ее обращения.

Конец Вселенной: Тепловая смерть

1. ^ Томсон, Уильям. (1851 г.). «О динамической теории тепла с числовыми результатами, полученными из эквивалента тепловой единицы г-на Джоуля и наблюдений г-на Реньо за паром». Выдержки. [§§1-14 и §§99-100], Труды Королевского общества Эдинбурга, март 1851 г .; и Философский журнал IV. 1852 г., [из Mathematical and Physical Papers, vol. я, ст. XLVIII, стр. 174]
2. ^ Томсон, Уильям (1852 г.). «Об универсальной тенденции в природе к рассеянию механической энергии», Труды Эдинбургского королевского общества от 19 апреля 1852 г., также Philosophical Magazine, октябрь 1852 г. [Эта версия из Mathematical and Physical Papers, vol. я, ст. 59, стр. 511.]
3. ^ аб Смит, Кросби и Уайз, Мэтью Нортон. (1989). Энергия и империя: биографическое исследование лорда Кельвина. (стр. 500). Издательство Кембриджского университета.
4. ^ Томсон, Уильям. (1862 г.). «О возрасте солнечного тепла», Macmillan’s Mag., 5, 288–93; ПЛ, 1, 394-68.
5. ^ Хронология физики (Гельмгольц и тепловая смерть, 1854 г.)
6. ^ см. http://www.physlink.com/Education/AskExperts/ae181.cfm для более подробного объяснения
7. ^ «Введение в космологическую инфляцию». материалы летней школы МЦТФ по физике высоких энергий, 1998 г.. Проверено 9 сентября 2006 г.
8. ^ «Черные дыры и термодинамика». физ. Ред. D 13, 191–197 (1976). Проверено 9 сентября 2006 г.
9. ^ «Термодинамика черных дыр в пространстве анти-де Ситтера». Комм. Мат. физ. 87, нет. 4 (1982), 577–588.. Проверено 9 сентября 2006 г.
10. ^>
11. ^ абсг Умирающая вселенная: долгосрочная судьба и эволюция астрофизических объектов, Фред С. Адамс и Грегори Лафлин, Обзоры современной физики69, № 2 (апрель 1997 г.), стр. 337–372. Бибкод: 1997RvMP. 69..337А. doi:10.1103/RevModPhys.69.337 arΧiv:astro-ph/9701131.
12. ^ Темпы эмиссии частиц из черной дыры: безмассовые частицы из незаряженной невращающейся дыры, Дон Н. Пейдж, Физический обзор D13 (1976), стр. 198–206. doi: 10.1103/PhysRevD.13.198. См., в частности, уравнение (27).

• Адамс, Фред С.; Лафлин, Грегори (1997), «Умирающая Вселенная: долгосрочная судьба и эволюция астрофизических объектов» (препринт в формате PDF), Обзоры современной физики69: 337–372, doi:10.1103/RevModPhys.69.337, arΧiv:astro-ph/9701131, http://arxiv.org/pdf/astro-ph/9701131v1
• Энтропия и второй закон (включает краткое упоминание о тепловой смерти)
• Тепловая смерть против холодной смерти
• модель спирального вращения и модель модифицированного множества; при этом якобы всегда происходит максимизация генерации энтропии.
• Непрофессиональное объяснение теории тепловой смерти.