Клаузиус концепции тепловая смерть вселенной. Второе начало термодинамики: вечный двигатель второго рода и тепловая смерть Вселенной

Всегда ли справедлив закон?

Часто кажется, что связь физики с медициной и биологией - отличительная примета современной науки. Нет, взаимопроникновение наук началось значительно раньше. Работы классиков естествознания подтверждают эту мысль.

Например, Роберт Майер впервые стал думать о тепловых явлениях, когда наблюдал в тропиках цвет… крови людей. Он обратил внимание, что у жителей южных стран кровь в венах значительно темнее. Значит, сделал вывод Майер, при повышении температуры окружающей среды нужна меньшая затрата энергиидля поддержания постоянной температуры тела и усилий на мускульные движения. В темной крови - мало кислорода.

Герман Гельмгольц , выдающийся и разносторонний ученый, изучал физические основы… зрения и слуха человека, природу мышечных сокращений. И именно ему принадлежит честь, опираясь на выводы Карно, Майера, Джоуля, облечь в окончательную форму закон сохранения и превращения энергии, который считается в настоящее время первым началом термодинамики .

«Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии вечно и неизменно. Она только переходит из одной формы в другую»,- гласит этот закон.

Тепло солнечных лучей, раскаливших южный город на картине М. Сарьяна, и подземный жар, озаряющий вершины вулканов, со временем будут укрощены человеком, станут отапливать дома и вращать турбины электростанций.

В середине XIX века было сформулировано и второе начало (второй закон) термодинамики , согласно которому изолированная от внешней среды физическая система всегда стремится к равновесному состоянию, где для нее обеспечено положение, как сложно говорят физики, «максимальной неупорядоченности». Частный случай второго закона, отмеченный еще Сади Карно,- происходящий в природе переход теплоты от более нагретого тела к менее нагретому, но не в обратном направлении.

К этому закону термодинамики ученые пришли из общих логических рассуждений. Изучая поведение газов, можно легко установить, что газ всегда стремится занять любой доступный ему объем, сжатый газ при малейшей возможности вырывается из баллона и рассеивается в атмосфере. Совершенно ясно, что из упорядоченного состояния газ при этом переходит в беспорядочное…

Второй закон термодинамики и «тепловая смерть» Вселенной

Второй закон термодинамики нашел серьезное математическое подкрепление в работах Л. Больцмана, Дж. Максвелла. Дж. Гиббса.

Опираясь на молекулярную теорию, на представление о том, что все тела состоят из постоянно и хаотично двигающихся атомов и молекул, этим знаменитым ученым удалось строго и точно описать распределение частиц в идеальных газах, найти уравнения, пользуясь которыми можно предсказать поведение частиц при изменении давления или температуры. Эти работы оказались чрезвычайно полезными не только для доказательства справедливости второго начала термодинамики, но и для многих других областей физики.

Второе начало термодинамики так верно суммировало явления, происходящие в Природе и в технических устройствах, что один из крупнейших термодинамиков прошлого века Клаузиус даже решился, опираясь на него, сделать вывод о предстоящей «тепловой смерти» Вселенной.

Согласно второму закону, все процессы в Природе идут в одну сторону, к увеличению беспорядка, и при полном беспорядке наступит «всеобщая смерть» - всякое движение прекратится.

Пустыни, переполненные людьми города и скалистые горы находятся рядом на одной и той же планете Земля. Порядок и беспорядок, покой и движение существуют здесь рядом, как и повсюду во Вселенной.

Этот грустный прогноз вызвал бурю возражений.

Людвиг Больцман выдвинул «спасительную» теорию, что Вселенную необходимо рассматривать в целом, поскольку процессы, происходящие в различных удаленных ее частях, текут независимо друг от друга, а иногда и в разных направлениях. В одной части может происходить угасание, в другой - всплеск, выделение энергии!

Фридрих Энгельс убежденно отметил в «Диалектике природы», что во Вселенной существует вечный кругооборот энергии, при этом «…материя во всех своих превращениях остается одной и той же, что ни один из ее атрибутов никогда не может быть утрачен и что поэтому с той же самой железной необходимостью, с которой она когда-нибудь истребит на земле свой высший цвет - мыслящий дух, она должна будет его снова породить где-нибудь в другом месте и в другое время».

Против теории «тепловой смерти» выступил и автор третьего начала термодинамики - Вальтер Нернст . Третье начало постулирует, что никогда, ни при каких условиях не может быть достигнут абсолютный нуль температур, хотя, конечно, сколь угодно близкое приближение к нему теоретически допустимо. Ведь абсолютный нуль температур - полное прекращение движения атомов и молекул. Это, к счастью, невозможно.

Нернст писал: «…нашему взору мир не может уже представиться хотя бы и в весьма далеком будущем в виде мрачного кладбища; мы имеем перед собой вечное возникновение и исчезновение ярких звезд».

Строгий анализ показывает, что второе начало термодинамики действительно нельзя распространять на любые явления. Оно ведь выведено для замкнутых и равновесных систем. Нашу Вселенную нельзя считать равновесной системой, бурные процессы, происходящие на близких и далеких звездах, свидетельствуют о том, что до равновесного состояния им еще очень далеко…

За последние десять-двадцать лет физики обнаружили в бездонных глубинах Вселенной необычные звезды и звездные скопления, в которых сила тяготения так велика, что оказываются вполне реальными как процессы, идущие от беспорядка к порядку, так и наоборот.

Мысли Энгельса и других противников теории «тепловой смерти» получили серьезное экспериментальное подтверждение.

Мы можем этому только порадоваться - ведь речь идет в конце концов о судьбе наших прямых потомков!

Попытку распространить законы термодинамики на Вселенную в целом предпринял Р.Клаузиус , выдвинувший следующие постулаты.

- Энергия Вселенной всегда постоянна, то есть Вселенная – это замкнутая система.

- Энтропия Вселенной всегда возрастает.

Если мы примем второй постулат, то нам надо признать, что все процессы во Вселенной направлены на достижение состояния термодинамического равновесия, характеризуемого максимумом энтропии, что означает наибольшую степень хаоса, дезорганизации, энергетическое уравновешивание. В этом случае во Вселенной наступает тепловая смерть и никакой полезной работы, никаких новых процессов или образований в ней производиться не будет (не будут светить звезды, образовываться новые звезды и планеты, остановится эволюция вселенной).

С этой мрачной перспективой были не согласны многие ученые, предполагавшие, что наряду с энтропийными процессами во Вселенной должны происходить и антиэнтропийные процессы, которые препятствуют тепловой смерти Вселенной.

Среди таких ученых был и Л.Больцман, который предположил, что для небольшого числа частиц второйзакон термодинамики не должен применяться , ибо в этом случае нельзя говорить о состоянии равновесия системы. При этом наша часть Вселенной должна рассматриваться как небольшая часть бесконечной Вселенной. А для такой небольшой области допустимы небольшие флуктуационные (случайные) отклонения от общего равновесия, благодаря чему в целом исчезает необратимая эволюция нашей части Вселенной в направлении к хаосу. Во Вселенной имеются относительно небольшие участки, порядка нашей звездной системы, которые в течение относительно небольших промежутков времени значительно отклоняются от теплового равновесия. В этих участках имеет место эволюция, то есть развитие, усовершенствование, нарушение симметрии.

В середине ХХ века новая неравновесная термодинамика, или термодинамика открытых систем , или синергетика где место закрытой изолированной системы заняло фундаментальное понятие открытой системы. Основателями этой новой науки было И.Р.Пригожин (1917-2004) и Г.Хакен (1927).

Открытая система – это система, которая обменивается с окружающей средой веществом, энергией или информацией.

Открытая система тоже производит энтропию, как и закрытая, но в отличие от закрытой, эта энтропия не накапливается в открытой системе, а выводится в окружающую среду. Использованная отработанная энергия (энергия низшего качества – тепловая при низкой температуре) рассеивается в окружающей среде и взамен ее из среды извлекается новая энергия (высокого качества, способная переходить из одной формы в другою), способная производить полезную работу.

Возникающие для этих целей материальные структуры, способные рассеивать использованную энергию и поглощать свежую, называются диссипативными . В результате такого взаимодействия система извлекает порядок из окружающей среды, одновременно внося беспорядок в эту среду. С поступлением новой энергии, вещества или информации неравновесность в системе возрастает. Прежняя взаимосвязь между элементами системы, которая определяла ее структуру, разрушается. Между элементами системы возникают новые связи, приводящие к кооперативным процессам, то есть к коллективному поведению элементов. Так схематически можно описать процессы самоорганизации в открытых системах.

В качестве примера такой системы можно взять работу лазера , с помощью которого получают мощные оптические излучения. Хаотические колебательные движения частиц такого излучения, благодаря поступлению определенной порции энергии извне производят согласованные движения. Частицы излучения начинают колебаться в одинаковой фазе, вследствие чего мощность лазерного излучения много кратно увеличивается, несоизмеримо с количеством подкаченной энергии.

Изучая процессы, происходящие в лазере, немецкий физик Г.Хакен (р.1927) назвал новое направление синергетикой, что в переводе с древнегреческого означает “совместное действие”, “взаимодействие”.

Еще одним известным примером самоорганизации могут служить химические реакции, которые изучал И.Пригожин. Самоорганизация в этих реакциях связана с поступлением в систему извне веществ, обеспечивающих эти реакции (реагентов), с одной стороны, и выведением в окружающую среду продуктов реакции, с другой стороны. Внешне такая самоорганизация может проявиться в виде периодически появляющихся концентрических волн или в периодическом изменении цвета реагируемого раствора. Подобную химическую реакцию получил и исследовал известный бельгийский химик русского происхождения И.Р.Пригожин. Свою химическую реакцию Пригожин назвал «Брюсселятор» в честь города Брюсселя, где Пригожин жил и работал, и где была впервые поставлена эта реакция.

Вот как писал об этом сам Пригожин: “Предположим, что у нас имеются молекулы двух сортов: “красные” и “синие”. Из-за хаотического движения молекул можно было бы ожидать, что в какой-то момент в левой части сосуда окажется больше “красных” молекул, а в следующий момент больше станет “синих” молекул и т.д. Цвет смеси с трудом поддается описанию: фиолетовый с беспорядочными переходами в синий и красный. Иную картину мы увидим, разглядывая химические часы: вся реакционная смесь будет иметь синий цвет, затем ее цвет резко изменится на красный, потом снова на синий и т.д. Смена окраски происходит через правильные интервалы времени. Для того чтобы одновременно изменить свой цвет, молекулы должны каким-то образом поддерживать связь между собой. Система должна вести себя как единое целое” (Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М., 1986. С.202-203).

Конечно же, никакого «сговора» между молекулами в прямом смысле этого слова нет и быть не могло. Дело в том, что в определенный момент времени все молекулы начинали колебаться в одной фазе – синего цвета, и тогда вся смесь приобретала синий цвет. Через определенный промежуток времени молекулы начинали колебаться в другой фазе – фазе красного цвета, и тогда вся смесь приобретала красный цвет и т.д., пока не заканчивалось действие реагента.

Приведем другой пример. Если взять цирковой прозрачный барабан с синими и красными шариками и начать его вращать с определенной частотой – частотой красного цвета, то мы, как и в случае с молекулами, обнаружим, что все шарики стали красными. Если мы сменим частоту вращения барабана на соответствующую синей длине волны, то увидим, что шарики посинели и т.д.

Наиболее показательным примером самоорганизации могут служить ячейки Бенара . Это маленькие шестигранные структуры, которые могут, к примеру, образоваться в слое масла на сковородке при соответствующем перепаде температур. Как только температурный режим меняется ячейки распадаются.

Таким образом, чтобы самопроизвольно выстроилась новая структура, необходимо задать соответствующие параметры среды.

Управляющие параметры – это параметры среды, которые создают граничные условия, в рамках которых существует данная открытая система (это может быть температурный режим, соответствующая концентрация веществ, частота вращения и т.п.).

Параметры порядка – это «ответ» системы на изменение управляющих параметров (перестройка системы).

Очевидно, что процесс самоорганизации может начаться не в любой системе и не при любых условиях. Рассмотрим условия, при которых может начаться процесс самоорганизации.

Необходимыми условиями для возникновения самоорганизации в различных системах являются следующие:

1. Система должна быть открытой , потому что закрытая система, в конечном счете, должна прийти в состояние максимального беспорядка, хаоса, дезорганизации в соответствии со 2 законом термодинамики;

2. Открытая система должна находиться достаточно далеко от точкитермодинамического равновесия . Если система уже находится вблизи от этой точки, то она неизбежно приблизится к ней и, в конце концов, придет в состояние полного хаоса и дезорганизации. Ибо точка термодинамического равновесия является сильным аттрактором;

3. Фундаментальным принципом самоорганизации служит «возникновение порядка через флуктуации» (И.Пригожин). Флуктуации или случайные отклонения системы от некоторого среднего положения в начале подавляются и ликвидируются системой. Однако, в открытых системах, благодаря усилению неравновесности, эти отклонения со временем возрастают, усиливаются и, в конце концов, приводят к “расшатыванию” прежнего порядка, к хаотизации системы. В состоянии неустойчивости, нестабильности система будет особенно чувствительна к начальным условиям, чувствительна к флуктуациям. В этот момент какая-то флуктуация прорывается с макроуровня системы на ее микроуровень и осуществляет выбор дальнейшего пути развития системы, дальнейшей ее перестройки. Предсказать, как поведет себя система в состоянии нестабильности, какой выбор будет ей сделан в принципе невозможно. Этот процесс характеризуется как принцип «возникновения порядка через флуктуации». Флуктуации носят случайный характер. Поэтому становится ясным, что появление нового в мире связано с действием случайных факторов.

Например, тоталитарное общество в Советском Союзе являлось прочной социальной структурой. Однако, поступающая из-за рубежа информация о жизни других обществ, торговля (обмен товарами) и т.п. стали вызывать в тоталитарном обществе отклонения в виде свободомыслия, недовольства, диссидентства и т.п. Вначале структура тоталитарного общества была в состоянии подавлять эти флуктуации, но их становилось все больше, и сила их нарастала, что привело к расшатыванию и развалу старой тоталитарной структуры и замене ее новой.

И еще один шуточный пример: Сказка про репку. Посадил дед репку. Выросла репка большая пребольшая. Настало время ее вытаскивать из земли. Дед тащил, тащил репку, но вытащить ее так и не смог. Слишком еще устойчивая система наша репка. Позвал дед на помощь бабку. Тащили они, тащили репку вместе, но вытащить так и не смогли. Флуктуации, расшатывающие репку усиливаются, но их пока еще не достаточно, чтобы разрушить систему (репку). Позвали они внучку, но тоже репку не вытащили. Затем позвали собаку Жучку, и, наконец, позвали мышку. Казалось бы, какое усилие могла сделать мышка, но она явилась «последней каплей», которая привела к качественно новому изменению системы – ее развалу (репка была вытащена из земли). Мышку можно назвать непредсказуемой случайностью, которая сыграла решающую роль, или «малой причиной больших событий»;

4. Возникновение самоорганизации опирается на положительную обратную связь . Согласно принципу положительной обратной связи, изменения, появляющиеся в системе не устраняются, а усиливаются, накапливаются, что приводит, в конце концов, к дестабилизации, расшатыванию старой структуры и замене ее на новую;

5. Процессы самоорганизации сопровождаются нарушениемсимметрии . Симметрия означает устойчивость, неизменность. Самоорганизация же предполагает асимметрию, то есть развитие, эволюцию;

6. Самоорганизация может начаться лишь в больших системах, обладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов (10 10 -10 14 элементов), то есть в системах, имеющих некоторые критические параметры . Для каждой конкретной самоорганизующейся системы эти критические параметры свои.

Лекция № 14. Основные понятия синергетики. Возможностьуправления синергетическими системами.

Взрывные, катастрофические процессы были известны человечеству издавна. Скажем, человек, путешествующий по горам знал, на основе своего эмпирического опыта, что горная лавина может обрушиться внезапно, чуть ли не от дуновения ветра или неудачно сделанного шага.

Революции и катаклизмы часто представляли собой следствия последней капли народного недовольства, последнего случайного события переполнившего чашу весов. Это были типичные малые причины больших событий.

Каждый из нас может вспомнить определенные ситуации выбора, которые стояли на жизненном пути, и в решающие жизненные моменты перед нами открывалось несколько возможностей. Все мы включены в механизмы, где в критический момент, момент перелома решающий выбор определяет случайное событие. Итак, лавинообразные процессы, социальные катаклизмы и потрясения, критические ситуации выбора на жизненном пути каждого человека.. . Можно ли подвести единую научную основу под все эти, казалось бы различные, факты? Последние 30 лет закладывается фундамент такой универсальной научной модели, которая получила название синергетики.

Как мы уже видели, синергетика основана на идеях системности,целостного подхода к миру, нелинейности (то есть много вариантности), необратимости , глубинной взаимосвязи хаоса и порядка . Синергетика дает нам образ сложноорганизованного мира , который является не ставшим, а становящимся, не просто существующим, а непрерывно возникающим . Этот мир развивается по нелинейным законам , он полон неожиданных , непредсказуемых поворотов, связанных с выбором дальнейшего пути развития.

Предметом синергетики являются механизмы самоорганизации . Это механизмы образования и разрушения структур, механизмы, обеспечивающие переход от хаоса к порядку и обратно. Эти механизмы не зависят от конкретной природы элементов систем. Они присущи неживому миру и природе, человеку и социуму. Синергетику поэтому считают междисциплинарным направлением научного исследования.

Синергетика, как и любая другая наука, имеет свой собственный язык, свою систему понятий. Это такие понятия как “аттрактор”, “бифуркация”, “фрактальный объект”, “детерминированный хаос” и другие. Понятия эти должны стать доступными для каждого образованного человека, тем более что им можно найти соответствующие аналоги в науке и культуре.

Основными понятиями синергетики являются понятия «хаоса» и «порядка».

Порядок – это множество элементов любой природы, между которыми существуют устойчивые (регулярные) отношения, повторяющиеся в пространстве и во времени. Например, строй солдат, марширующих на параде.

Хаос – множество элементов, между которыми нет устойчивых повторяющихся отношений. Например, бегущая в панике толпа людей.

Понятие “аттрактор” близко к понятию цели. Это понятие можно раскрыть как целеподобность, как направленность поведения системы, как устойчивое относительно конечное ее состояние. В синергетике под аттрактором понимают относительно устойчивое состояние системы, которое как бы притягиваетк себе всемногообразие траекторий системы , определяемых разными начальными условиями. Если система попадает в конус аттрактора, то она неизбежно эволюционирует к этому относительно устойчивому состоянию. Например, независимо от начального положения мяча, он скатится на дно ямы. Состояние покоя мяча на дне ямы – это аттрактор движения мяча.

Аттракторы подразделяются на простые и странные .

Простой аттрактор (аттрактор)- это предельное состояние порядка. Система выстраивает порядок и совершенствует его не до бесконечности, а до уровня, определяемой простым аттрактором.

Странный аттрактор – это предельное состояние хаотизации системы. Система хаотизируется, разваливается тоже не до бесконечности, а до уровня, определяемого странным аттрактором.

Понятие бифуркация в переводе с английского означает вилку с двумя зубцами – befork. Говорят обычно не о самой бифуркации, а о точки бифуркации . Синергетический смысл точкибифуркации таков – это точка ветвлениявозможных путей эволюции системы . Прохождениечерез точки ветвления, совершенный выбор закрывает иные пути и делает тем самымэволюционный процесс необратимым .

Нелинейную систему можно определить как систему, таящую в себе бифуркации.

Очень важным для синергетики является нелинейность . Под нелинейностью понимают:

1. Возможность выбора пути развития системы (подразумевается, что у системы существует не один путь развития, а несколько);

2. Несоизмеримость нашего воздействия на систему и получаемого в ней результата. По пословице «мышь родит гору».

То, что в синергетике называют “бифуркацией ” имеет глубокие аналоги в культуре. Когда сказочный рыцарь стоит, задумавшись у придорожного камня на развилке дорог и выбор пути определит его дальнейшую судьбу, то это и является по существу наглядно-образным представлением бифуркации в жизни человека. Эволюция биологических видов, представленная в виде эволюционного дерева , наглядно иллюстрирует ветвящиеся пути эволюции живой природы.

Это теория, выдвинутая Р. Клаузиусом в 1865, согласно которой Вселенная рассматривается как замкнутая система, поэтому согласно второму началу термодинамики, энтропия Вселенной стремится к максимуму, в результате чего со временем в ней должны прекратиться все макроскопические процессы.

Вселенная: споры о замкнутой и незамкнутой системе

Вспомним для начала, в чем заключается суть второго начала термодинамики: при протекании необратимых процессов в замкнутой системе энтропия системы возрастает. Для сравнения: в незамкнутых системах энтропия может как возрастать, так и убывать, а также оставаться без изменения.

Вернемся к нашей Вселенной. Вселенная, по мнению Клаузиуса, является, бесспорно, замкнутой системой, так как она не обменивается энергией с другими системами (ведь не существует никакой другой Вселенной вне нашей?). Как замкнутая система Вселенная стремится к равновесному состоянию - состоянию с максимумом энтропии. Таким образом, все происходящие во Вселенной процессы должны рано или поздно затухнуть, прекратиться.

Почему критикуют теорию тепловой смерти Вселенной?

Критика теории тепловой смерти Вселенной основывается в основном на утверждении, что, несмотря на логичность аргументов, тепловая смерть все еще не наступила. Тем не менее, мнения ученых разделились относительно будущего нашей Вселенной.

Гипотеза неверна, потому что:

1 версия:

Одни ученые утверждают, что тепловая смерть Вселенной невозможна, так как второй закон термодинамики неверен или просто неточен, так как не применим ко всей Вселенной в целом. Дело в том, что состояние с максимумом энтропии можно воспринимать лишь как идеал, так как закон возрастания энтропии не носит абсолютный характер (а подчинен вероятностным законам). Другими словами, из-за случайных флуктуаций (колебаний) энтропия в системе будет всегда ниже максимума.

2 версия:

Еще одним аргументом против теории Клаузиуса становится понимание Вселенной как бесконечной, поэтому ее нельзя назвать ни замкнутой, ни незамкнутой системой (так как эти критерии используются для конечных объектов). Поэтому вполне логично предположить, что в условиях бесконечности второй закон термодинамики не применим в принципе, или должен быть дополнен.

В любом случае знания о Вселенной еще ничтожно малы, поэтому любые прогнозы относительно будущего Вселенной остаются лишь догадками. Например, сегодня среди ученых есть и сторонники теории тепловой смерти Вселенной, которые утверждают, что подобный сценарий развития событий должен рассматриваться наравне с другими, так как человечество до сих пор не может утверждать наверняка, является ли Вселенная бесконечной, или же она все-таки конечна, поэтому может пониматься как замкнутая система.

> Тепловая смерть

Изучите гипотезу тепловой смерти Вселенной. Читайте концепцию и теорию тепловой смерти, роль энтропии Вселенной, термодинамическое равновесие, температура.

Вселенская энтропия постоянно растет. Ее цель – термодинамическое равновесие, которое приведет к тепловой смерти .

Задача обучения

• Рассмотреть процессы, ведущие к проблеме тепловой смерти Вселенной.

Основные пункты

• В ранней Вселенной вся материя и энергия легко заменялись и были идентичны по природе.
• С ростом энтропии все меньше энергии открывало доступ работе.
• Вселенная стремится к термодинамическому равновесию – максимальная энтропия. Это тепловая смерть и конец активности всего.

Термины

• Астероид – естественное твердое тело, уступающее по размерам планете, и не выступает кометой.
• Энтропия – мера распределения равномерной энергии в системе.
• Геотермальный – относится к тепловой энергии, поступающей из глубинных земных резервуаров.

В ранней Вселенной материя и энергия были идентичны по природе и легко заменялись. Конечно, главную роль во многих процессах сыграла гравитация. Это казалось беспорядочным, но для работы предлагалась вся будущая вселенская энергия.

Пространство развивалось, и возникли различия в температуре, создавшие для работы больше возможностей. Звезды превосходят по нагреву планеты, которые опережают астероиды, а те теплее вакуума. Многие остывают из-за насильственного вмешательства (ядерный взрыв у звезд, вулканическая активность у Земли и т.д). Если не получить дополнительную энергию, то их дни сочтены. Ниже представлена карта Вселенной.

Это совсем юная Вселенная с колебаниями в температуре (выделены цветами), соответствующие зернышкам, ставшим галактиками

Чем выше становилась энтропия, тем меньше энергии поступало в работу. Земля обладает крупными энергетическими запасами (ископаемые и ядерное топливо), огромными разницами температур (энергия ветра), геотермальная энергия из-за разности в температурных отметках земных слоев и приливная энергия воды. Но некая часть их энергии никогда не пойдет в работу. В итоге, все виды топлива исчерпаются, а температуры выровняются.

Вселенная воспринимается как замкнутая система, поэтому пространственная энтропия всегда увеличивается, а количество доступной для работы энергии уменьшается. В конце концов, когда взорвутся все звезды, используются все формы потенциальной энергии, а температуры выровняются, работа станет просто невозможной.

Наша Вселенная стремится к термодинамическому равновесию (максимальная энтропия). Часто такой сценарий именуют тепловой смертью – остановка всей активности. Но пространство продолжает расширяться и до конца еще слишком далеко. При помощи подсчетов по черным дырам выяснилось, что энтропия продолжится еще 10 100 лет.

Материальное единство мира проявляется в абсолютности и вечности материи, ее несотворимости и неуничтожимости. Материальное единство мира выражается в возможности превращения одних форм материи и движения в другие. В середине XIX в. был открыт фундаментальный закон природы - закон сохранения энергии. «Закон сохранения и превращения энергии устанавливает не только то, что при превращениях одних видов энергии в другие остается постоянным ее численное значение, но и то, что каждый вид энергии (электромагнитная, тепловая, механическая) обладает способностью при определенных условиях превращаться в другие ее виды. Он свидетельствует о неуничтожимости движения не только в количественном (непрекращаемость), но и в качественном отношении (безграничная способность каждой формы движения превращаться в другие)» 1 .

Казалось бы, из этого закона неизбежно вытекает следствие о вечном круговороте материи во Вселенной. В самом деле, если в Природе при всех своих изменениях материя, т.е. та реальность, из которой состоит мир, не исчезает и не возникает из ничего, а лишь переходит из одной формы существования в другую, то Вселенная вечна, и материя, ее составляющая, пребывает в вечном круговороте. Вселенная в целом всегда одна и та же - убеждение в этом в XIX в. было почти всеобщим.

Немецкий физик Р. Клаузиус и английский физик В. Томпсон (лорд Кельвин), исходя из второго закона термодинамики, предположили, что «в системе, предоставленной самой себе, рано или поздно происходит выравнивание температур, и тепловая энергия как бы деградирует в качественном отношении. Она теряет способность превращаться в другие формы энергии» . Термодинамика - раздел физики, изучающий природу тепловых процессов и различные превращения тепловой энергии. То, что тепловая энергия, как и другие виды энергии, не исчезает при своих превращениях и не возникает из ничего, есть частное выражение общего закона сохранения энергии. В такой формулировке он называется первым законом термодинамики. Второй же закон термодинамики говорит не о количестве энергии, а о ее качестве или, точнее, об обесценивании энергии.

«Распространение действия второго начала термодинамики на всю Вселенную ведет к выводу, что со временем все виды энергии перейдут в тепловую, а последняя в силу выравнивания температур потеряет способность превращаться в другие виды энергии, и Вселенная придет в состояние теплового равновесия, выход из которого естественным путем невозможен. Наступление состояния теплового равновесия будет означать тепловую смерть Вселенной. Теория тепловой смерти Вселенной не отрицает количественного сохранения энергии, но отрицает качественную неуничтожимость энергии и движения» 1 .

В ходе рассуждений о «тепловой смерти» Клаузиус ввел некоторую математическую величину, названную им энтропией. В буквальном переводе с греческого языка «энтропия» означает «обращение внутрь», т.е. замыкание в себе, «неиспользование». По существу же энтропия есть мера беспорядка в какой-либо системе тел. Чем больше беспорядок, тем больше и энтропия.

П.В. Алексеев и А.В. Панин отмечают, что «энтропия является физической величиной, характеризующей процессы превращения энергии. Согласно закону возрастания энтропии, при реальных термодинамических процессах энтропия замкнутой системы возрастает. Закон возрастания энтропии определяет течение энергетических превращений: все они в замкнутых системах происходят в одном направлении. Достижение термодинамической системой состояния с максимальной энтропией соответствует достижению состояния теплового равновесия. Это означает, что в системе, предоставленной самой себе, рано или поздно происходит выравнивание температур, и тепловая энергия как бы деградирует в качественном отношении. Она теряет способность превращаться в другие формы энергии» .

Р. Клаузиус утверждал, что найден закон Природы, дающий нам возможность уверенно заключить, что во Вселенной нет всеобщего круговорота, что она все дальше и дальше меняет свое состояние в определенном направлении и приближается таким образом к известному пределу. Немецкий физик полагал, что энергия мира постоянна, а энтропия мира стремится к максимуму.

Ошеломляющее впечатление, произведенное на естествоиспытателей XIX в. вторым законом термодинамики, было особенно сильно еще и потому, что вокруг себя в окружающей нас природе они не видели фактов, его опровергающих. Наоборот, все, казалось, подтверждало мрачные прогнозы Клаузиуса. Однако были и попытки опровержения данных прогнозов. В 1895 г. немецкий физик Л. Больцман предложил свою флуктуационную гипотезу «второго начала». Эта гипотеза исходила «из допущения, что бесконечная Вселенная уже достигла состояния термодинамического равновесия, то есть тепловой смерти. Но вследствие статистического характера принципа возрастания энтропии возможны макроскопические отклонения от состояния равновесия - флуктуации. Одну из них представляет и наблюдаемая нами область Вселенной» 1 . Однако в целом Вселенная в основном представляет безбрежный мертвый океан с некоторым количеством островков жизни, как полагал Л. Больцман.

Известные физики XX в. Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшиц доказали, что любая замкнутая система может достичь максимальной энтропии лишь при постоянных, неизменных внешних условиях. Между тем гравитация как свойство четырехмерного пространства-времени повсюду во Вселенной весьма непостоянна. Отсюда следует, что Вселенная никогда не придет к состоянию мертвого равновесия. «Второе начало» термодинамики, по существу, утверждает необратимость всех процессов в Природе. Это означает, что Природа развивается, никогда не повторяя предшествующие состояния. Следовательно, Вселенная в том виде, в каком мы ее знаем, вышла из какого-то иного, неизвестного нам состояния материи и перейдет со временем в какие-то другие формы существования. Вполне возможно, что для таких форм нынешние, известные нам законы Природы окажутся неприменимыми. Но это вовсе не означает смерть Вселенной, а лишь завершение одного из этапов развития материи.

С точки зрения синергетики (эта теория возникла сравнительно недавно), изучающей процессы самоорганизации в сложных открытых нелинейных системах, в самой Вселенной могут присутствовать природные явления антиэнтропийного характера.

В последнее время большие дискуссии в науке вызывает антропный принцип. «Основная идея этого принципа состоит в том, что фундаментальные свойства Вселенной, значения основных физических констант и даже форма физических закономерностей тесно связаны с фактом структурности Вселенной во всех масштабах - от элементарных частиц до сверхскоплений галактик - с возможностью существования условий, при которых возникают сложные формы движения материи, жизнь и человек» .

Приведем еще одну формулировку антропного принципа, предложенную Б. Картером: «Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некотором этапе эволюции допускалось существование наблюдателей» . Другими словами, появление человека обусловлено самим устройством Вселенной. Приведенные две формулировки антропного принципа являются слабыми.

Существует также сильная формулировка антропного принципа: «Наблюдатели необходимы для того, чтобы сделать Вселенную существующей» . Автором данной формулировки является Дж. У ил- лер.