Почему Вселенная обречена на погибель? Большое замерзание

Приветствую, уважаемый читатель. Для ответа на вопрос статьи нам потребуется второй закон термодинамики.

Второй закон термодинамики (далее: ВЗТ) утверждает:

Энергия в виде тепла самопроизвольно переходит только от более горячего к холодному.

Одуванчик – очень изящная и романтичная иллюстрация роста энтропии (второй закон термодинамики). Источник: https://unsplash.com/photos/YNM4KStg78I

А. Эйнштейн писал:

Если Вы придумали теорию, противоречащую второму закону термодинамики, то Вашу теорию необходимо пересмотреть.

Т. е. Эйнштейн признавал непоколебимость этого закона, ведь последний очень прост в своей формулировке (хотя и сложен в следствиях), а потому этот закон и его следствия вряд ли удастся оспорить/нарушить.

К тому же, современные научные данные из области квантовой механики хорошо согласуются с ВЗТ.

Понимаем интуитивно

• Рассмотрим ВЗТ интуитивно. Энергия есть "стихия". Если её "насильственно" не упорядочивать, то она рассеивается. Если её где-то больше, чем где-то ещё, то она всегда норовит распределиться по большему объему, приобретая равномерную "плотность" по большему пространству, равномерно распределяясь по пространству-времени как масло по хлебу.

Избыток энергии в одном месте всегда пытается рассредоточится.

• Казалось бы, это понятно (особенно из повседневного опыта, который сколь угодно часто подтверждает этот факт), но ответить, почему это так, достаточно сложно. И почему самопроизвольно возможен лишь переход энергии от горячего к холодному, если у холодного тела тоже есть запас энергии?

Пример

• Представьте чашку горячего кофе, которая находится в комнате. Чашка и комната представлены "сами себе", с ними не производят каких-либо манипуляций, не добавляют какие-то дополнительные системы, соединители, нагреватели, охладители и т. п. (самопроизвольность).

Чашка с кофе рассеивает энергию, так как нагрета сильнее, чем воздух в комнате.

• Пройдёт некоторое время, и разницы температур не обнаруживается: кофе самопроизвольно отдало свою энергию воздуху комнаты. Но суть в том, что у воздуха тоже был запас энергии. Так почему он не пошёл на дополнительное подогревание чашки?

Со временем наступает тепловое равновесие (температура и чашки, и воздуха в комнате выравниваются).

Объяснение

Вопросы выше не имеют тривиальных ответов, хоть и формулируются сравнительно легко. Потребовались умы гениальных ученых, чтобы прийти к объяснению этого феномена. Людвиг Больцман применил правильный, статистический подход к указанным фактам.

Покажу его рассуждения на примере с уже упомянутой чашкой кофе:

• Кофе состоит из молекул, а они движутся беспорядочно, и их очень много (порядка 6 * 10 в 23 степени штук). Чтобы доподлинно уяснить неимоверную колоссальность этой величины, приведу мыслительную аналогию: если взять 6 * 10 в 23 степени штук рублёвых монет, то этого количества хватит, чтобы покрыть всю поверхность земли, причём образуется равномерный слой из этих монет толщиной в 560 метров!
• Далее: Существует лишь сравнительно небольшое количество возможностей/способов того, как избыточная энергия движения и взаимодействия молекул кофе может быть распределена внутри чашки. Назовём эти способы микрораспределениями.

Модель: пусть энергия распределена в чашке таким образом.

• Вместе с тем, существует гораздо больше способов того, как избыточная энергия молекул чашки с кофе может быть распределена по всей комнате (здесь гораздо больше микрораспределений).

Примеры распределения избыточной энергии чашки по комнате. Количество вариантов растёт колоссально. Четырьмя цветами показаны примеры способов распределения энергии чашки по комнате (считаем, что в чашке энергия изначально равна 4Е).

• И теперь самое главное: так как молекулы движутся хаотично (а хаос – тоже закономерность), то математически этот "хаос" значит, что (!) у нас нет оснований полагать, что то или иное микросостояние/микрораспределение энергии молекул "чашка кофе--воздух" является более предпочтительным.
• Но макроскопическому состоянию (которое мы наблюдаем как результат сложения множества микропараметров микромира) максимального перемешивания и рассеивания энергии внутри системы статистически соответствует гораздо больше возможностей, поэтому система "комната-кофе" занимает своё наиболее вероятное состояние, – в ней реализуется максимально рассеянная и хорошо "перемешанная" энергия и её "макро" следствие – тепловое равновесие (т. е. совпадение/выравнивание температуры и других макропараметров (объём, давление и пр.) в разных частях системы).
• Впрочем, интересно, что не только энергия, но и молекулы системы "чашка кофе--воздух" перемешаются друг с другом со временем (диффузия): кофе (вода в нём) испарится, хотя осадок останется. Это также происходит из-за ВЗТ, но более медленно, так как передавать энергию можно через сталкивание молекул друг с другом (это проще), а для испарения нужно преодолевать силы молекулярного притяжения, а это требует больше времени.

Ради ещё большего понимания

Представьте, что у вас пять книг на полке, расставленных по алфавиту. Это одно определённое состояние, которое в данной аналогии соответствует менее вероятному распределению энергии внутри чашки кофе. Теперь представьте, что некий робот случайным образом переставляет книги как ему заблагорассудится. Вряд ли теперь они лежат по алфавиту, состояние их будет неупорядоченным:

"Глупый робот всё напутал" или "природа поработала, и температура выравнивалась".

Эти книги – аналог колоссального множества молекул, а робот – аналог неотъемлемой характеристики молекул под названием "тепловое (хаотическое) движение".

• Таким образом, второй закон термодинамики утверждает: в изолированной системе с течением времени наступает тепловое равновесие. Это значит, что температура в разных участках системы становится одинаковой, энергия приобретает самую распределённую, "разбросанную" (хаотичную) форму. Следовательно, ею более невозможно управлять (совершить полезную работу), ведь для "управления" потребуется разница температур, а она отсутствует.

А что за "гибель Вселенной"?

• Любая система, производящая полезную работу, являет собой упорядочивание движения множества молекул, связанных в нетривиальные структуры и потому может функционировать лишь тогда, когда есть разница температур: по мере движения к тепловому равновесию часть рассеивающейся энергии переходит в энергию упорядоченного движения высокоорганизованной материи/системы (станка, автомобиля, живого существа и т. п.).
• Так, представьте, что возле чашки кофе в непосредственной близости стоит очень маленькая пробирка с небольшой толщиной стенок, маленькими диаметром и высотой. В пробирке газ, а сама пробирка закрыта пробкой. Газ внутри пробирки нагревается и совершает полезную работу: пробка из пробирки выскакивает. Другая часть энергии кофе продолжает рассеиваться. Важно, что для природы хаотическое движение молекул наиболее предпочтительно (статистика), вместе с тем, движение пробки (и жизнедеятельность организмов) есть упорядоченное движение множества связанных молекул, а оно менее вероятно.
• Представьте, что кофе есть Солнце, пробирка есть Земля, газ в пробирке есть наша среда (вещество), а движущаяся пробка есть жизнедеятельность организмов на Земле.
• Мы увидим, что наша жизнедеятельность возможна лишь до тех пор, пока часть рассеивающейся энергии от её источника (звезды) превращается в полезную работу.

Последние минуты Вселенной

ВЗТ справедлив для всего и вся. Применяя этот закон для всей Вселенной (как когда-то сделал Рудольф Клаузиус) и полагая Вселенную изолированной, можно прийти к гипотезе о гибели Вселенной, указав последние минуты её жизни:

Звёзды иссякли. Черные дыры испарились. Больше нет разницы температур, ибо она всегда выравнивается, а потому однажды должен наступить закономерный финал – Большое Замерзание (тепловая смерть). Т. е. выравнивание температуры Вселенной во всех её точках. Эта разница, как мы убедились, – основной двигатель жизнедеятельности. Но разницы больше не остаётся, как и не остаётся возможности для какого-либо процесса в принципе. Время "останавливается" (нет процессов), и во Вселенной царит максимально рассеянная энергия, и потому всюду холод: никто не говорил молекулам и другим частицам, что они должны "дружить", соединяться в структуры и не рассеивать энергию, они всегда "хотели", "могли" и делали одно наиболее вероятное: распределялись по большему объему, способствуя росту энтропии, и привели Вселенную однажды к её закономерной "гибели".

Вначале была сингулярность – "материя" большого взрыва. Бесконечной массы, плотности, температуры, энергии. Мы можем увидеть, как энергия постепенно рассеивается. Её максимальное рассеивание и есть конец Вселенной.

Итоги

Любой достаточно сложный процесс (например, жизнедеятельность) есть уменьшение энтропии, т. е. достижение маловероятных состояний. Но ВЗТ обхитрить не удастся: уменьшение энтропии в данной точке означает лишь то, что система открытая, а значит энтропия увеличилась в другом месте. (!) Причём на величину, по модулю большую, чем модуль уменьшения энтропии в результате некоторого процесса. Этот факт и порождает неизбежный рост энтропии Вселенной и выравнивание её температуры – Большое Замерзание.

• Впрочем, наши знания о Вселенной неполные, и всегда есть место другим идеям, теориям, а также новым открытиям. Возможно, указанной участи нам ещё удастся избежать.
• А что Вы думаете обо всём этом?

Спасибо за внимание!