Содержание

Введение

     Актуальность  темы. За последнее столетие среднегодовая температура на Земле поднялась на один градус, причем три четверти этого прироста, как утверждают эксперты, пришлось на последнее десятилетие. Потепление климата имеет разнообразные последствия: увеличение осадков в одних регионах и засуха в других; таяние наземных, наводных и грунтовых льдов; наводнения и повышение уровня моря, в результате которых оказываются затопленными земли, пригодные для сельхозработ; учащение природных катаклизмов, происходящее, в частности, из-за увеличения атмосферных перепадов температуры; рост инфекций, в особенности - малярии и т.д.

     Стоит температуре подняться на 10-15°, говорят  специалисты, и жизнь на Земле в развитых ее формах станет невозможной. Если за последнее десятилетие температура и на самом деле поднялась на 0,75°С и если она будет расти такими темпами и далее, то развитые формы жизни погибнут уже через 130-200 лет, а глобальные катаклизмы начнутся существенно раньше. При таком развитии событий для принятия решительных мер в нашем распоряжении остается всего несколько десятков лет.

     Целью настоящей работы является изучение проблемы тепловой смерти Вселенной.

     Задачи  работы: рассмотреть идею тепловой смерти Вселенной, изучить взгляды К.Э. Циолковского о тепловой смерти Вселенной, привести примеры путей решения данной проблемы.

1. Идея Тепловой  смерти Вселенной

1.1. Появление идеи тепловой смерти Вселенной

     Угроза  тепловой смерти Вселенной, как мы уже говорили ранее, была высказана в середине ХIХ в. Томсоном и Клаузиусом, когда был сформулирован закон возрастания энтропии в необратимых процессах. Тепловая смерть - это такое состояние вещества и энергии во Вселенной, когда исчезли градиенты параметров, их характеризующих.

       Развитие принципа необратимости,  принципа возрастания энтропии  состояло в распространении этого  принципа на Вселенную в целом,  что и было сделано Клаузиусом.

       Итак, согласно второму началу  все физические процессы протекают  в направлении передачи тепла от более горячих тел к менее горячим, а это означает, что медленно, но верно идет процесс выравнивания температуры во Вселенной. Следовательно, в будущем ожидается исчезновение температурных различий и превращение всей мировой энергии в тепловую, равномерно распределенную во Вселенной. Вывод Клаузиуса был следующим:¹

     1. Энергия мира постоянна

     2. Энтропия мира стремится к  максимуму.

     Таким образом, тепловая смерть Вселенной  означает полное прекращение всех физических процессов вследствие перехода Вселенной в равновесное состояние с максимальной энтропией.

       Больцман, открывший связь энтропии S и статистического веса P, считал, что нынешнее неоднородное состояние  Вселенной есть грандиозная флуктуация*, хотя ее возникновение имеет  ничтожно малую вероятность. Современники Больцмана не признавали его взглядов, что привело к жестокой критике его работ и, по-видимому, привело к болезненному состоянию и самоубийству Больцмана в 1906 г.

     Обратившись к исходным формулировкам идеи тепловой смерти Вселенной, можно видеть, что они далеко не во всем соответствуют их хорошо известным интерпретациям, сквозь призму которых эти формулировки нами обычно воспринимаются. Принято говорить о теории тепловой смерти или термодинамическом парадоксе В. Томсона и Р. Клаузиуса.

     Но, во-первых, соответствующие мысли  этих авторов далеко не во всем совпадают, во-вторых, в приводимых ниже высказываниях  ни теории, ни парадокса не содержится.

     В. Томсон, анализируя проявляющуюся в  природе общую тенденцию к  рассеянию механической энергии, не распространял ее на мир как целое. Он экстраполировал принцип возрастания энтропии лишь на протекающие в природе крупномасштабные процессы.

     Напротив, Клаузиус предложил экстраполяцию  этого принципа именно на Вселенную  как целое, выступавшую для него всеобъемлющей физической системой. По словам Клаузиуса «общее состояние Вселенной должно все больше и все больше изменяться» в направлении, определяемом принципом возрастания энтропии и, следовательно, это состояние должно непрерывно приближаться к некоторому предельному состоянию Флуктуации и проблема физических границ 2-го Начала термодинамики. Пожалуй, впервые термодинамический аспект в космологии обозначил еще Ньютон. Именно он подметил эффект «трения» в часовом механизме Вселенной – тенденцию, которую в середине XIX в. назвали ростом энтропии. В духе своего времени Ньютон призвал на помощь Господа Бога. Он и был приставлен сэром Исааком к слежению за подзаводом и ремонтом этих «часов».

     В рамках космологии термодинамический  парадокс был осознан в середине XIX в. Дискуссия о парадоксе породила ряд блестящих идей широкого научного значения («шредингерово» объяснение Л. Больцманом «антиэнтропийности» жизни; введение им флуктуаций в термодинамику, фундаментальные следствия чего в физике не исчерпаны до сих пор; его же грандиозная космологическая флуктуационная гипотеза, за концептуальные рамки которой физика в проблеме «тепловой смерти» Вселенной так еще и не вышла; глубокая и новаторская, но тем не менее исторически ограниченная флуктуационная трактовка Второго Начала. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.2 Взгляд на тепловую  смерть Вселенной  из ХХ века

     Современное состояние науки также не согласуется  с предположением о тепловой смерти Вселенной.

     Прежде  всего, этот вывод имеет отношение  к изолированной системе и не ясно, почему Вселенную можно относить к таким системам.

     Во  Вселенной действует поле тяготения, которое не принималось Больцманом во внимание, а оно ответственно за появление Звезд и Галактик: силы тяготения могут привести к  образованию структуры из хаоса, могут породить Звезды из Космической пыли.²

     Интересно дальнейшее развитие термодинамики  и с ней на идею о Т.С.В.. На протяжении XIX века были сформулированы основные положения (начала) термодинамики изолированных  систем. В первой половине XX века термодинамика развивалась в основном не вглубь, а вширь, возникали различные ее разделы: техническая, химическая, физическая, биологическая и т. д. термодинамики. Только в сороковых годах появились работы по термодинамике открытых систем вблизи точки равновесия, а в восьмидесятых годах возникла синергетика. Последнюю можно трактовать как термодинамику открытых систем вдали от точки равновесия.

     Итак, современное естествознание отвергает  концепцию «тепловой смерти»  применительно к Вселенной в  целом. Дело в том, что Клаузиус прибегнул в своих рассуждениях к следующим экстраполяциям:

     1. Вселенная рассматривается как  замкнутая система.

     2. Эволюция мира может быть описана  как смена его состояний.

     Для мира как целого состояния с максимальной энтропией это имеет  смысл, как и для любой конечной системы.

     Но  сама по себе правомочность этих экстраполяций  весьма сомнительна, хотя связанные  с ними проблемы представляют трудность  и для современной физической науки.

2. К.Э. Циолковский  о тепловой смерти  Вселенной

     В работе «Второе начало термодинамики» Циолковский писал: «Как-то давно я читал статью. Автор ее, говоря о неизбежном потухании Солнца, надеется, что порода двуногих все-таки извернется. Тогда я подумал: какой оптимизм!... и не находил сам возможности выпутаться из беды. Но вот прошло два десятка лет, и в моей душе созрело семя надежды об обратимости процесса рассеяния тепла. Если это так, то человечеству открывается будущее, независимое от солнечной энергии и даже внутренней самостоятельной теплоты Земли».

     К такому счастливому разрешению проблемы Константин Эдуардович пришел в 1914 г., но задумался над ней гораздо раньше. В 1905 г. он написал статью «Второе начало термодинамики», которую три раза переделывал и переписывал, пока не убедился в правильности своего вывода. «Семя надежды» созревало постепенно, и очень возможно, что это произошло в те годы, когда ученый заинтересовался трудами немецкого ученого Эрнста Геккеля, выступившего против теории Клаузиуса-Томсона.³ Свои соображения о тепловом состоянии Солнца Э. Геккель высказал в книге «Мировые загадки». С его воззрениями на теорию тепловой смерти Вселенной, ставшими широко популярными в России с 1906 года, совпадали воззрения Циолковского, сформулированные им в рукописи, которая в 1905 г. попала на рецензию профессору Санкт-Петербургского университета О. Д. Хвольсону. Сама рецензия не сохранилась, и мы располагаем только коротким замечанием самого Циолковского: «1905 г. Второе начало термодинамики. Проф. Хвольсон. Отношение совершенно отрицательное». Также отрицательно относился профессор и к работе Э. Геккеля.

     Циолковский долгое время воздерживался от публикации своей работы, выжидал, что покажет  время – этот высший судья. В своем  предисловии он писал: «... Разные причины, о которых позволяю себе здесь  умолчать, мешали мне ее до сего времени напечатать».

     В 1914 г., когда ситуация показалась ему  уже совершенно ясной, он решил опубликовать свою работу и сдал её в редакцию «Известий Калужского Общества изучения природы и местного края», председателем  которого был Н. Л. Дмитриев. По обстоятельствам военного времени, «Известия» вышли из печати в 1916 г., а в свет – в 1918. Калужское Общество преподнесло автору отдельный оттиск с надписью: «К. Э. Циолковский — почетный член Калужского Общества изучения природы и местного края» с добавлением: «Калуга. 1914 год», т. е. был указан год, когда приняли к печати его работу.

     Во  «Втором начале термодинамики» Циолковский доказывал, что в природе существует «вечный круговорот энергии», в силу чего, по его мнению, никогда «не нарушается закон сохранения энергии и ни теплота, ни работа не образуется вновь: мы имеем дело только с круговоротом энергии, какой, я думаю, существует в природе всюду».

     Таким образом, считает Циолковский, процесс  «вечного круговорота энергии» совершается по закону превращения и сохранения энергии и действует во всей Вселенной. Исходя из этого, Циолковский приходит к следующему выводу, применительно к земным условиям жизни: «Механическая работа легко превращается во все виды энергии, так что люди могли бы тогда получить все необходимое, без посредства солнечной энергии, одним определенным запасом теплоты, величина которого, согласно первому закону термодинамики, измениться никогда не может». Это будет «иметь огромное не только философское и общенаучное значение, но и чисто практическое» в жизни человечества.

     В этой истине К. Э. Циолковский увидел крепкую научную опору для  своей дальнейшей работы о безначальности и бесконечности Вселенной, о  несотворимости и неуничтожаемости материального мира, о вечности его существования.

     «Мир  существует давно, даже трудно предположить чтобы он когда-нибудь не существовал. А если он уж существует бесконечное  время, то давно бы должно наступить  уравнение температур, угасание солнц  и всеобщая смерть. А раз этого нет, то и закона нет, а есть только явление, часто повторяющееся». «Тепловая смерть» Вселенной невозможна и ее не будет! А погасание нашего Солнца очень отдаленная проблема.

     «Мрачные  взгляды ученых о неизбежном конце  всего живого на Земле от ее охлаждения, – писал Циолковский в своей работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами (1911-1912 гг.), – вследствие гибели солнечной теплоты, не должны иметь теперь в наших глазах достоинства непреложной истины. Лучшая часть человечества, по всей вероятности, никогда не погибнет, но будет переселяться от Солнца к Солнцу по мере их погасания». 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Пути решения проблемы тепловой смерти Вселенной

     Радикальное решение проблемы состоит в переходе к энергетическим установкам, которые  не просто сводят потери тепла к минимуму, но поглощают его. Пока неизвестно как решать эту задачу практически, но она имеет решение. В обоснование приводится два аргумента.⁴

     Первый  аргумент. Если бы решения проблемы не существовало, то это вступило бы в противоречие с законами эволюции. Дело не просто в том, что гибель человечества на Земле в им же порожденной "геенне огненной" резко замедлила бы эволюцию. Эволюция, как отмечалось, имеет статистическую природу и поэтому конечный фрагмент наблюдаемого мира всегда может по случайным причинам прервать на время свою эволюцию, и это тем вероятнее, чем этот фрагмент меньше. Неостановима лишь эволюция всей Вселенной.

     На  конкретной планете Земля конкретное человечество с некоторой вероятностью погибнуть может. Представим себе, что в нашей галактике существует тысяча планетных цивилизаций, подобных земной, и что все они стоят перед барьером тепловой смерти. Взятие этого барьера реально лишь для какой-то их части, остальным суждено погибнуть. Вот если бы на гибель от тепловой смерти была обречена вся тысяча цивилизаций, то это определенно вступило бы в противоречие с законами эволюции, поскольку оказалось бы, что эволюция ведет в тупик.

     Второй  аргумент. В конце концов все, что  мы делаем, все производство, все  технологии, спорт, искусство, любовь и т.д. направлены на создание структур — материальных (когда мы производим, скажем, стулья или компьютеры), динамических (когда мы налаживаем, скажем, движение железнодорожного транспорта), поведенческих (когда вырабатываем определенные стереотипы поведения) и т.п. В ходе создания этих структур мы потребляем энергию, то есть превращаем одни ее формы в другие.

     Ниоткуда  не следует, что возникновение структур обязано сопровождаться ростом тепловой энергии, то есть тепловым загрязнением среды. Факты говорят, что эта схема, которая была задана отцами термодинамики, неблагоразумно связавшими себя с трактовкой энтропии как меры беспорядка, ошибочна. Все говорит за то, что прогрессивная эволюция в сторону усложнения с выделением тепла — только один из ее вариантов. Человечеству, предстоит переход от термальной фазы развития, когда деятельность по созданию структур сопровождается выделением тепла, к атермальной, когда человеческая деятельность сопровождаться выделением тепла не будет.

     Атермальная технология — это не то, что имеют сегодня в виду, говоря о борьбе с тепловым загрязнением планеты. Последняя (борьба) предполагает сведение теплового загрязнения к минимуму, вообще же без выделения тепла современное производство работать не может. Между тем атермальная технология — это технология, вовсе не выделяющая тепла. Различие кардинальное, ибо в первом случае мы только отодвигаем гибель жизни на Земле, во втором — закрываем проблему.

     Еще пример. Установлено, что для переохлажденной  жидкости существует критическая температура, при которой энтропия кристалла равна энтропии жидкости. Если температура меньше критической, энтропия кристалла больше энтропии жидкости, если температура больше критической — меньше.

     Переохладим жидкость до температуры меньшей, чем критическая, и бросим в нее, например, крошку хлеба. Жидкость кристаллизуется. Поскольку энтропия кристалла при этой температуре больше энтропии жидкости, при этом будет поглощено некоторое количество тепла, температура системы за счет кристаллизации понизится. То есть усложнение структуры сопровождается в данном случае поглощением тепла. 
 

     Мы  привели только два примера возникновения  структур с поглощением тепла, однако было бы достаточно и одного. Наука  уже приучила нас к тому, что  если какое-то явление, о возможности которого раньше не подозревали, имеет место хотя бы в одном случае, то тиражирование этого явления в принципе может быть поставлено на поток.

     Иллюстрация этой идеи на элементарных примерах, не имеющих практического приложения, имеет определенный смысл.

     Во-первых, если что-то, о чем прежде и не помышляли, оказалось возможным  хотя бы в одном отдельно взятом случае в течение ограниченного  промежутка времени, то, значит, это  что-то допускается законами природы  и может быть растиражировано  на других объектах в любых потребных энергетических и временных масштабах.

     Во-вторых, когда до человеческого сообщества вдруг доходит, что какую-то проблему можно решить в неожиданном направлении, то очень часто (к сожалению, не всегда) половина дела оказывается сделанной, в этом направлении происходит прорыв. Работу изобретателя и ученого чрезвычайно стимулирует знание того, что проблема в принципе имеет решение и его, это решение, следует искать в определенном направлении.

     Кем-то остроумно было замечено, что у древних римлян было все необходимое для создания фонографа и что если бы они откуда-то узнали, что такое устройство может быть сделано из подручных им средств, то фонограф непременно был бы ими создан, и мы бы слушали сегодня живьем судебные речи Цицерона, Цезаря, Плиния Младшего и других древних о раторов.

     С атермальной технологией разобраться  будет посложнее, чем с фонографом. 
 
 

Заключение

     Итак, мы можем отметить,  что в постнеклассической науке были сформулированы принципиально  новые подходы к анализу принципа Клаузиуса и устранению термодинамического парадокса в космологии. Наиболее значительны перспективы, которых можно ожидать от космологической экстраполяции теории самоорганизации, развитой на основе идей русского космизма.

     Необратимые процессы в резко неравновесных, нелинейных системах позволяют, по-видимому, избежать тепловой смерти Вселенной, поскольку она оказывается открытой системой. Продолжаются и поиски теоретических схем «антиэнтропийных» процессов, непосредственно предсказываемых научной картиной мира, основанной на космической философии К.Э. Циолковского; правда, такой подход разделяется лишь немногими естествоиспытателями. Сквозь всю новизну постнеклассических подходов к анализу проблем термодинамики Вселенной «просвечивают», однако, те же самые «темы», которые сформировались еще во второй половине Х1Х века и порождены парадоксом Клаузиуса и дискуссиями вокруг него.

     Мы  видим таким образом, что принцип  Клаузиуса до сих пор является почти неиссякаемым источником новых  идей в комплексе физических наук. Тем не менее, несмотря на появление все новых моделей и схем, в которых тепловая смерть отсутствует, никакого «окончательного» разрешения термодинамического парадокса до сих пор не достигнуто. Все попытки разрубить «гордиев узел» проблем, связанных с принципом Клаузиуса, неизменно приводили лишь к частичным, отнюдь не строгим и не окончательным выводам, как правило, достаточно абстрактным. Содержавшиеся в них неясности порождали все новые проблемы и пока нет особой надежды, что успеха удастся достигнуть в обозримом будущем.

     Вообще  говоря, это – вполне обычный  механизм развития научного познания, тем более, что речь идет об одной  из наиболее фундаментальных проблем. Но ведь далеко не всякий принцип науки, как и вообще не любой фрагмент НКМ, является столь эвристичным, каким выступает принцип Клаузиуса. Можно назвать несколько причин, объясняющих, с одной стороны, эвристичность этого принципа, который до сих пор не вызывает ничего, кроме раздражения, у догматиков – безразлично, естествоиспытателей или философов, с другой – неудачи его критиков.

     Первое  – сложности любых противостоящих этому принципу «игр с бесконечностью», каковы бы ни были их концептуальные основания.

     Вторая  причина – использование неадекватного  смысла термина «Вселенная как целое» – все еще обычно понимаемого в значении «всего существующего» или «тотальности всех вещей». Неопределенность этого термина, вполне соответствующая неясностям употребления неэксплицируемых смыслов бесконечности, резко противостоит четкости формулировки самого принципа Клаузиуса. Понятие „Вселенная” в этом принципе не конкретизировано, но именно потому и возможно рассматривать проблему его применимости к различным вселенным, конструируемым средствами теоретической физики и интерпретируемым как „все существующее” лишь с точки зрения данной теории (модели).

     И, наконец, третья причина: как сам  принцип Клаузиуса, так и попытки  разрешения выдвинутого на его основе термодинамического парадокса предвосхитили  одну из черт постнеклассической науки _ включенность гуманистических факторов в идеалы и нормы объяснения, а также доказательности знаний. Эмоциональность, с какой на протяжении более сотни лет критиковали принцип Клаузиуса, выдвигали различные его альтернативы, анализировали возможные схемы антиэнтропийных процессов, имеет, пожалуй, мало прецедентов в истории естествознания – и классического, и неклассического. Принцип Клаузиуса явно апеллирует к постнеклассической науке, которая включает „человеческое измерение”. Естественно, в прошлом эта особенность рассматриваемых знаний еще не могла быть по-настоящему осознана.

     Но  сейчас, ретроспективно, некие «зародыши» идеалов и норм постнеклассической науки мы находим в этих старых дискуссиях. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  литературы

1. Концепции современного естествознания./ под ред. проф. С.А. Самыгина, 2-е изд. – Ростов н/Д: «Феникс», 1999. – 580 с.
2. Дубнищева Т.Я.. Концепции современного естествознания. Новосибирск: Изд-во ЮКЭА, 1997. – 340 с.
3. Хайтун С. Прогнозы и мифы о "тепловой смерти""Независимая Газета", 22.11.2000 г.
4. Цицин Ф.А. Термодинамика, Вселенная и флуктуации // Вселенная, астрономия, философия. М., 1988. С. 142-156
5. Pamela Zoline "The Heat Death of The Universe" 1967 by New Worlds. 2002, Гужов Е., перевод